【正文】 為保證傳感器的測量精度 ,需要對濕度傳感器定時進行加熱清洗。 ? MgCrO4TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻 濕度特性 、 電阻 溫度特性及響應(yīng)時間特性如圖 。 從電阻 濕度特性看出 ,隨著相對濕度的增加 ,電阻值急劇下降 ,基本按指數(shù)規(guī)律下降 ,當相對濕度由0變到 100%RH時 ,阻值從 107Ω下降到104Ω,即變化了三個數(shù)量級 。 從電阻 溫度特性中可看出 ,從 20176。 C到 80176。 C各條曲線的變化規(guī)律基本一致 ,具有負溫度系數(shù) ,其感濕負溫度系數(shù)為 %RH/176。 C。如果要精確測量濕度 ,對這種濕度傳感器需要進行溫度補償 。 從響應(yīng)時間特性可知 ,響應(yīng)時間小于 10s。 圖 MgCrO4―TiO 2 (a)電阻 濕度特性 。(b)電阻 溫度特性 。(c)響應(yīng)時間特性 圖 MgCrO4―TiO 2 (a)電阻 濕度特性 。(b)電阻 溫度特性 。(c)響應(yīng)時間特性 ? 3） 厚膜陶瓷濕度傳感器 ? 以 ZrO2系濕敏材料為例 ,厚膜濕度傳感器主體部分結(jié)構(gòu)如圖 ,是在氧化鋁基片上印刷梳狀電極 ,梳狀電極相互交錯排列并成平行線 。 圖 厚膜濕度傳感器主體部分結(jié)構(gòu)圖 ? 傳感器的電阻值與溫度 、 濕度的關(guān)系 ,在常溫下 ,相對濕度大于 30%RH時 ,電阻值小于 1MΩ,當濕度從 30%RH變化到 90%RH時 ,電阻值約變化三個數(shù)量級 。溫度對電阻 濕度特性有影響 ,低濕時影響較大 ,相對濕度不變的情況下 ,隨著溫度升高 ,電阻值變小 。 ? 厚膜濕度傳感器使用的濕敏陶瓷材料除 ZrO2系材料外 ,還有 MnWO4系 、NiWO4系等 。 厚膜濕度傳感器由于阻值易調(diào)整 ,提高了產(chǎn)品的合格率 。省掉貴重引線 ,使成本降低 。由于膜比較薄 ,響應(yīng)時間大大地加快 。燒結(jié)溫度低 ,節(jié)省了大量的能源 。厚膜工藝易于大批量生產(chǎn) ,提高了生產(chǎn)效率 。不需要進行熱清洗 ,體積小 ,重量輕 ,互換性好和易于集成化 ,目前備受人們關(guān)注 。 ? 4） 薄膜濕度傳感器 ? 薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)一般有兩種形式 ,一種是在硼硅玻璃或藍寶石襯底上沉積一層氧化物薄膜 ,然后在薄膜上再蒸發(fā)一對梳狀電極 。另一種是先在硼硅玻璃或藍寶石襯底上 ,用真空蒸發(fā)方法制作下金電極 ,再用噴鍍法或濺射法生成一層多孔質(zhì)的氧化物薄膜 ,然后再在此薄膜上蒸發(fā)上金電極 ,為了讓水蒸氣順利通過 ,金的厚度在 70nm左右 。 薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 圖 Ta2O5薄膜濕度傳感器的電容 濕度特性 ? 制作薄膜濕度傳感器的主要薄膜材料是 Ta2O5和 Al2O3。 由于它們都具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性 ,因此用它們制成的濕度傳感器能在很高的環(huán)境溫度下工作 。 由于感濕膜很薄 ,響應(yīng)時間很快 （ 約 1~3s） ,特別適宜在高速濕度響應(yīng)場合下使用 。 ? 薄膜濕度傳感器的感濕特征量往往都采用電容量 ,由于純水的介電常數(shù)比較大 ,當環(huán)境相對濕度增加時 ,薄膜濕度傳感器所吸附的水分子增多 ,因而使電容量增大 。 圖 Ta2O5薄膜濕度傳感器的電容 —濕度特性 。 它具有正電容濕度系數(shù) 。 ? 3． 多功能半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 ? 隨著微機的普及 ,產(chǎn)業(yè)和家庭電器方面的自動控制技術(shù)發(fā)展迅速 ,這就要求研究和生產(chǎn)更方便的各種傳感器 ,其中對能夠同時檢測濕度 、 溫度和氣體的多功能傳感器的呼聲尤其高 ,比如 ,冷暖空調(diào)機的溫度和濕度的控制 ,干燥機的溫度控制和水分的檢測 ,電子灶的溫度 、 濕度和各種氣體的檢測方面越來越多地要求使用這種多功能傳感器 。 ? MgCr2O4TiO2系多功能半導(dǎo)體陶瓷材料的導(dǎo)電性一般是空穴導(dǎo)電 ,在 300～550176。 C溫度范圍內(nèi)對各種氣體都較敏感。比如 ,在以氧氣為首的氧化性氣氛中這種陶瓷材料的電阻減少 ,而隨著硫化氫、酒精、氫等還原性氣體濃度的增加其電阻率增加。MgCr2O4TiO2系陶瓷高溫氣敏特性如圖。 圖 MgCr2O4TiO2系陶瓷高溫氣敏特性 ? 金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料BaTiO3SrTiO3的介電常數(shù)與溫度的依賴性是極其明顯的 ,因此也就成為熱敏器件的理想材料 ,通過摻入少量的 MgCr2O4以及利用陶瓷體本身所具有的多孔結(jié)構(gòu) ,就可制得多功能的濕度 溫度傳感器 。 這就是巧妙利用了半導(dǎo)體陶瓷材料的體單晶性質(zhì)和表面性質(zhì)而做的復(fù)合功能傳感器 。其等效電路如圖 。 圖 濕度 溫度傳感器的等效電路 ? 4． MOSFET濕敏器件 ? 用半導(dǎo)體工藝制成的 MOS型場效應(yīng)管濕敏器件 ,由于是全固態(tài)濕敏傳感器 ,有利于傳感 器的集成化和微型化 ,因此是一種很有前途和價值的濕度傳感器 。圖 MOS型場效應(yīng)管濕敏器件的典型結(jié)構(gòu) 。 從圖中看出 ,這種濕敏器件是在 MOS型場效應(yīng)管的柵極上涂覆一層感濕薄膜 ,在感濕薄膜上增加另一電極而構(gòu)成的新型濕敏器件 。 圖 MOSFET濕敏器件結(jié)構(gòu) ? 5． 結(jié)型濕敏器件 ? 利用肖特基結(jié)或 PN結(jié)二極管的反向電流或者反向擊穿電壓隨環(huán)境相對濕度的變化 ,可以制成一種結(jié)型濕度敏感器件 。在結(jié)型濕度敏感器件中 ,二氧化錫濕敏二極管是比較有代表性的 。 ? 這種二極管是采用電阻率為 5Ωcm的 N型硅單晶材料制作的 。 制作過程為：將硅片置于通氧和水汽的 、 溫度達 520℃左右的石英管道爐中 ,使其生成一層 SiO2,再在 SiO2上淀積一層透明而又導(dǎo)電的 SnO2薄膜 ,最后在硅片的背面和 SnO2層上用真空鍍膜方法制作金屬 Al電極 。 ? 電極膜的厚度不宜太厚 ,以便 SnO2表面和空氣中的水蒸氣相接觸 ,理想的厚度為 100 左右。 SnO2具有很好的導(dǎo)電性 ,因而這種結(jié)構(gòu)的二極管可看作是一個肖特基結(jié)或異質(zhì)結(jié) ,具有整流特性。上述二極管的結(jié)區(qū)直接暴露于環(huán)境氣氛之中 ,結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,在二極管處于反向偏壓狀態(tài)時 ,在雪崩擊穿區(qū)附近 ,其反向電流直接與環(huán)境的相對濕度有關(guān) ,或者說 ,其反向擊穿電壓隨環(huán)境相對濕度而改變 ,即使二極管具有了感濕特性。圖 二極管的結(jié)構(gòu)。圖 SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對濕度的關(guān)系。從圖中看出 ,隨著相對濕度增加 ,反向電流減少。 圖 SnO2濕敏二極管的結(jié)構(gòu) 圖 SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對濕度關(guān)系 ? 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器的檢測精度 ? 大部分半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器是利用電阻值變化檢測濕度的 。 這樣在實際應(yīng)用時可在很大程度上簡化檢測電路 ,在空調(diào)機 、 加濕器 、 除濕器等民用家電產(chǎn)品中應(yīng)用陶瓷濕度傳感器時 ,應(yīng)當考慮其成本 。 因此 ,在研究傳感器特性時 ,應(yīng)當考慮檢測電路的結(jié)構(gòu)和精度 ,圖 陶瓷濕度傳感器在廣泛濕度范圍檢測濕度時使用的電路 。 圖 放大電路 半導(dǎo)體氣體傳感器 ? 表 。從表中看出 ,目前研究和使用的半導(dǎo)體氣敏器件大體上可分為電阻式和非電阻式兩大類 。 電阻式又可分成表面電阻控制型和體電阻控制型 。 非電阻式又可分為利用表面電位的 、 二極管整流特性的和晶體管特性的三種 。 表 半導(dǎo)體氣敏器件的分類 ? 半導(dǎo)體電阻型氣敏器件 ? 適宜制作半導(dǎo)體氣敏傳感器的材料主要是氧化物 。 由于半導(dǎo)體材料的特殊性質(zhì) ,氣體在半導(dǎo)體材料顆粒表面的吸附可導(dǎo)致材料載流子濃度發(fā)生相應(yīng)的變化 ,從而改變半導(dǎo)體元件的電導(dǎo)率 。 由氧化物半導(dǎo)體粉末制成的氣敏元件 ,具有很好的疏松性 ,有利于氣體的吸附 ,因此其響應(yīng)速度和靈敏度都較好 。 通常所指的氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器 ,就是由粉末狀氧化物經(jīng)燒結(jié)或沉積而制成的 。 ? 1． 表面電阻控制型氣敏器件 ? 它是利用半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化特性制成的一類傳感器 。 多數(shù)是以可燃性氣體為檢測對象 ,但如果吸附能力很強 ,即使是非可燃性氣體也能作為檢測對象 。 這種類型的傳感器 ,具有氣體檢測靈敏度高 、 響應(yīng)速度比一般傳感器快 、 實用價值大等優(yōu)點 。 ? 表面電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件的工作原理 ,主要是靠表面電導(dǎo)率變化的信息來檢驗被接觸氣體分子 。 因此 ,要求做這種器件的半導(dǎo)體材料的體內(nèi)電導(dǎo)率一定要小 ,這樣才能提高氣敏器件的靈敏度 。 基于這個原因 ,一般用禁帶寬度比較大的半導(dǎo)體材料來制備氣敏器件 。 ? 薄膜型氣敏元件的制作通常是以石英或陶瓷為絕緣基片 ,在基片的一面印上加熱元件 ,如 RuO2厚膜 。 在基片的另一面鍍上測量電極及氧化物半導(dǎo)體薄膜 。在絕緣基片上制作薄膜的方法很多 ,包括真空濺射 、 先蒸鍍后氧化 、 化學(xué)氣相沉積 、 噴霧熱解等 。 ? 燒結(jié)型氣敏元件的制作是以多孔質(zhì) SnO ZnO等氧化物為基體材料 ,添加不同物質(zhì) ,采用傳統(tǒng)制陶方法進行燒結(jié) ,形成晶粒集合體 。 根據(jù)加熱元件位置可分為直熱式和旁熱式兩種 ,直熱式傳感器是將加熱元件與測量電極一同燒結(jié)在氧化物材料及催化添加劑的混合體內(nèi) ,加熱元件直接對氧化物敏感元件加熱 。 旁熱式傳感器是采用陶瓷管作為基底 ,將加熱元件裝入陶瓷管內(nèi) ,而測量電極 、 氧化物材料及催化添加劑則燒結(jié)在陶瓷管的外壁 。加熱元件經(jīng)陶瓷管壁均勻地對氧化物敏感元件加熱 。 ? 厚膜型氣敏元件是將 SnO ZnO等氧化物材料與 3%~15%（重量）的硅凝膠混合 ,并加入適量的催化劑制成糊狀物 ,然后將該糊狀混合物印刷到事先安裝有鉑電極和加熱元件的 Al2O3基片上 ,待自然干燥后置于 400～ 800176。 C中燒結(jié)制成。其不僅機械強度高 ,各傳感器間的重復(fù)性好 ,適合于大批量生產(chǎn) ,而且生產(chǎn)工藝簡單 ,成本低。 ? 用金屬氧化物半導(dǎo)體 SnO ZnO等材料制作的表面電阻控制型氣體傳感器 ,為了加快氣體分子在表面上的吸附作用 ,將器件加熱到 150176。 C以上的溫度下工作 。 ? 圖 型氣體傳感器的結(jié)構(gòu) ,圖 錫氣敏傳感器阻值與被測氣體濃度的關(guān)系 。 圖 (a)燒結(jié)型； (b)薄膜型 。(c)厚膜型 。(d)多層結(jié)構(gòu)型 圖 (a)燒結(jié)型； (b)薄膜型 。(c)厚膜型 。(d)多層結(jié)構(gòu)型 引線電極零位引線燈絲絕 緣 管催 化 介 層礬 鉬 三 氧 化 二 鋁( d )? 氣敏器件的阻值 R與空氣中被測氣體的濃度 C成對數(shù)關(guān)系變化 : l g l gR m C n?? () 式中 ,n與氣體檢測靈敏度有關(guān) ,除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外 ,還會由于測量溫度和激活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。 m是隨氣體濃度而變化的傳感器靈敏度（也稱為氣體分離度） ,對于可燃性氣體 ,1/3≤m≤1/2。 圖 氧化錫氣敏傳感器阻值與被測氣體濃度的關(guān)系 ? 2． 體電阻控制型氣敏器件 ? 除了表面電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件之外 ,目前還有體電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件 。 ? 體電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件與被檢測氣體接觸時 ,引起器件體電阻改變的原因比較多 。 對熱敏型氣敏器件而言 ,在600～ 900176。 Ｃ下 ,在半導(dǎo)體表面吸附可燃性氣體時 ,由于這類器件的工作溫度比較高 ,被吸附氣體燃燒使器件的溫度進一步升高 ,因此 ,半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化 。 ? 另外 ,很多氧化物半導(dǎo)體 ,由于化學(xué)計量比的偏離 ,尤其是化學(xué)反應(yīng)強而且容易還原的氧化物 ,在比較低的溫度下與氣體接觸時晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷就發(fā)生變化 ,繼之體電阻發(fā)生變化 ,因此 ,可以檢測各種氣體 。 比如 ,目前常使用的 νFe2O3氣敏器件 ,其結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 νFe2O3氣敏器件結(jié)構(gòu) ? 當它與氣體接觸時 ,隨著氣體濃度增加形成 Fe+2離子 ,而變成為 Fe3O4,使器件的體電阻下降 。 也就是說 ,由 νFe2O3被還原成 Fe3O4時形成 Fe+2離子 。 它們之間的還原 氧化反應(yīng)為 : 2 3