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第5章 新型传感器原理及应用
新型传感器包括:气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
气敏、湿敏传感器
微传感器
光栅数字传感器
光电式传感器
集成化智能传感器
本章内容<br****题与思考题
气敏传感器
湿敏传感器
气敏、湿敏传感器
气敏、湿敏传感器
气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器,它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求:能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度,能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质所产生的影响小等。
由于被测气体的种类繁多,性质各不相同,不可能用一种传感器来检测所有气体,所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展,实际使用最多的是半导体气敏传感器,这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析,具有结构简单、使用方便等优点。
气敏、湿敏传感器
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为表面控制型和体控制型。
第一类,半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受,结果使半导体的电导率等物性发生变化,但内部化学组成不变;
第二类,半导体与气体的反应,使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化,而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性,又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度;非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。表5-1为半导体气敏元件的分类,SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件。
气敏、湿敏传感器
1. 电阻型半导体气敏传感器的结构
半导体气敏传感器一般由三部分组成:敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺来分,有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。
(a)所示为烧结型气敏元器件,它是以氧化物半导体(如SnO2)材料为基体,将铂电极和加热器埋入金属氧化物中,经加热或加压成形后,再用低温(700℃~900℃)制陶工艺烧结制成,因此也被称为半导体陶瓷。这种器件制作方法简单,器件寿命较长,但由于烧结不充分,器件的机械强度较差,且所用电极材料较贵重,此外,电特性误差较大,所以应用受到一定限制。(b)所示为薄膜型气敏元器件,采用蒸发或溅射方法,在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(厚度在100 nm以下),制作方法也简单,但这种薄膜是物理性附着,所以器件间性能差异较大。
(a) 烧结型气敏元器件(b) 薄膜型气敏元器件
半导体传感器的器件结构
1、5、13—加热器;2、7、9、11—电极;3—烧结体温表;4—玻璃;6、10—半导体;8、12—绝缘体
气敏、湿敏传感器
(c) 厚膜型器件(d) 厚膜型器件结构
半导体传感器的器件结构
1、5、13—加热器;2、7、9、11—电极;3—烧结体温表;4—玻璃;6、10—半导体;8、12—绝缘体
(c)、(d)所示为厚膜型器件,它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶,再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上,经烧结制成。由这种工艺制成的元件机械强度高,其特性也相当一致,适合大批量生产。
这些器件全部附有加热器,它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉,加速气体的吸附,从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200℃~400℃。
气敏、湿敏传感器
表5-1 半导体气敏元件分类
名称
检测原理、现象
具有代表性的气敏元件及材料
检测气体
半
导
体
气
敏
元
件
电
阻
型
表面控制型
SnO2、ZnO、In2O3、W2O3、V2O5、β-Cd2SnO4有机半导体、金属、酞菁、蒽
可燃性气体,如C2H2CO、NO2、C-Cl2-F2、等
体控制型
γ-Fe2O3、α-Fe2O3、CoC3、Co3O4、La1-x CoSrO3、TiO2、Co O、CoO-MgO、Nb2O5等
可燃性气体,如 H2n、 CnH2n-6 等
非
电
阻
型
二极管
整流作用
Pd/CdS、Pd/TiO2、Pd/ZnO、Pt/TiO2、Au/TiO2