EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
第九章 半导体传感器
§9.1 气敏传感器 §9.2 湿敏传感 §9.3 色敏传感器 §9.4 半导体传感器应用
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§9.1 气敏传感器
一、气敏传感器的定义和种类
气敏传感器：
半导体气敏传感器分类 : 按半导体与气体相互作用时
表面控制型： 半导体表面吸 附气体与半导体间发生电子接受， 结果使半导体的电导率等物理性 质发生变化，但内部化学组成不 变。
体控制型： 半导体与气体的 反应，半导体内部组成发生变化， 导致电导率等参量变化。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§9.1 气敏传感器
一、气敏传感器的定义和种类
通过气 -电转换来检测气体类别、 产生的变化只限于半导体表面或
浓度和成分的传感器。
深入到半导体内部可分为：
按构成气敏传感器材料可分为：
表面控制型和体控制型。
半导体和非半导体两大类。 目前半导体气敏传感器实际使用 最多。
半导体气敏传感器 : 利用待测气体与半导体表面接触 时产生的电导率等物理性质变化来检 测气体。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与传感器
1、工作机理
当氧化型气体吸附到 N 型、
还原型气体吸附到 P型半导体上时，
半导体载流子减少，而使电阻值
增大。
当还原型气体吸附到 N 型、
氧化型气体吸附到 P型半导体上时，
则载流子增多，使半导体电阻值 下降。
（1）直热式气敏器件 加热丝、测量丝直接埋入氧 化物半导体材料粉末中烧结而成。 工作时加热丝通电，测量丝用于 测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成 本低、功耗小，可在高电压回路 下使用，但热容量小，易受环境 气流的影响，测量回路和加热回 路间没有隔离而相互影响。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
N型半导体吸附气体时器件阻值变化
半导体气敏时间 (响应时间 )一
气体浓度发生变化，阻值也 般不超过 1min 。
变化。据此，可从阻值的变化得 知吸附气体的种类和浓度。
N型材料有 SnO 2、ZnO 、TiO 等，P型材料有 MoO 2、CrO 3等。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
传感器原理及应用
Principles and Applications of Sensors
主讲：王殿生 教授
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
作
业
第九章
第二版教材168页： 练习题：9-1，9-3，9-4
第三版教材165页： 练习题：9-1，9-3，9-4
EXIT 《传感器原理及应用》
烧结型器件制作方法简单， 器件寿命长；但由于烧结不充分， 器件机械强度不高，电极材料较贵 重，电性能一致性较差，因此应用 受到一定限制 。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器
2、基本结构
（2）薄膜型气敏器件
采用蒸发或溅射工艺，在石英基片
§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 2、基本结构
气敏器件有 烧结型 、薄膜型 和厚膜型 三种。
（1）烧结型气敏器件 氧化物半导体材料为基体， 铂电极和加热丝埋入材料中，用 加热、加压的制陶工艺烧结成形。 因此，被称为 半导体陶瓷 ， 简称 半导瓷 。半导瓷内的晶粒直径为 1μm左右，晶粒的大小对电阻有 一定影响，但对气体检测灵敏度 则无很大的影响。
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 1、工作机理
电阻型半导体气敏传感器利 用气体在半导体表面的氧化和还 原反应导致敏感元件阻值变化而 制成的。
当半导体器件被加热到稳定 状态，在气体接触半导体表面而 被吸附时，被吸附的分子先在表 面物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分 残留分子产生热分解而固定在吸 附处（化学吸附）。
（1）氧化型气体： 半导体的功 函数小于吸附分子的亲和力时，吸 附分子从器件夺得电子而变成负离 子吸附，半导体表面呈现电荷层。 氧气等具有负离子吸附倾向的气体 称为氧化型或电子接收性气体 。
（2）还原型气体： 半导体的功 函数大于吸附分子的离解能，吸附 分子向器件释放出电子，而形成正 离子吸附。具有正离子吸附倾向的 气体有 H2、CO 、碳氢化合物和醇 类，称为 还原型气体或电子供给性 气体。
上形成厚度约 100nm 氧化物半导体薄膜，
制作方法简单。
半导体薄膜的气敏特性最好，但半
导体薄膜为物理性附着，器件间性能差
异较大。
（3）厚膜型气敏器件
氧化物半导体材料与硅凝胶混合制
成可印刷的厚膜胶，厚膜胶再印刷到装 有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。
这种元件机械强度高， 离散度小，适合批量生产。
EXIT 《传感器原理及应用》
半导体气敏传感器分类 : 按照半导体变化的物理特性又 可分为： 电阻型和非电阻型 。
电阻型： 通过半导体敏感材料 接触气体时阻值变化来检测气体的 成分或浓度。
非电阻型： 通过半导体气敏元 件的其它参数变化来检测被测气体， 如二极管伏安特性和场效应晶体管 的阈值电压变化。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 2、基本结构
电阻型半导体气敏器件全部 附有加热器。
加热器作用： 烧掉附着在敏 感元件表面上的尘埃、油雾等， 加速气体的吸附，从而提高器件 的灵敏度和响应速度。加热器的 温度一般控制在 200~400℃左右。
加热方式一般有直热式和旁 热式两种，因而形成了 直热式 和 旁热式 气敏器件。
物理科学与技术学院 王殿生 制作
第九章 半导体传感器
被测非电量 半导体 电量 特性
测量 U、I 电路
? 半导体传感器的定义 以半导体材料为敏感元件，通过半导体材料电特性的物性变
化将被测量变化转换为电量变化的传感器。 ? 半导体传感器的感测量
浓度、湿度、成分、波长等。 ? 半导体传感器的种类
根据检测对象： 气敏、湿敏、色敏等传感器。