半导体敏感元件(湿度)

沈阳工业大学湿度传感器沈阳工业大学课程内容1湿度表示方法2湿敏传感器分类3湿度传感器的主要参数4几种常用测量湿度方法5半导体陶瓷湿敏元件6元素半导体湿敏元件7半导体结型和MOS型湿敏元件8.高分子湿度传感器9湿敏传感器的应用10典型湿度传感器沈阳工业大学1湿度表示方法在某一温度下，其水蒸气压同其饱和蒸气压的百分比。相对湿度%100sppRH单位体积内,空气里所含水蒸气的质量。绝对湿度Vmv当空气的温度下降到某一特定温度,空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠,相对湿度为100％RH，简称露点。如果露点温度低于0℃时,水蒸气将结霜,统称为露点。露点温度霜点温度湿度：大气中含有水蒸气的多少,表明大气的干湿程度。常表示为%RH；道尔顿部分压力定律：在常温常压下，一定体积混合气体的压力，等于其各组成成分分别单独在相同体积内产生的部分压力之和。沈阳工业大学毛发式、干湿球式、陶瓷式、有机高分子式、半导体式和电解质式等。2湿敏传感器分类电阻式、电容式和频率式等；按探测功能相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种；按材料按湿敏元件输出的电学量沈阳工业大学干球温度计湿球温度计刻度盘纱布水槽2湿敏传感器分类干湿球式湿度计沈阳工业大学2湿敏传感器分类干湿球式湿度计利用水蒸发要吸热降温，而蒸发的快慢（即降温的多少）是和当时空气的相对湿度有关。原理沈阳工业大学3湿度传感器的主要参数A湿度量程B感湿特征量C感湿灵敏度D特征量温度系数100121TRRR100121TCCC电容温度系数(%/℃)=电阻温度系数(%/℃)=ΔT—温度25℃与另一规定环境温度之差；E感湿温度系数THH21感湿温度系数(%RH/℃)=ΔT—温度25℃与另一规定环境温度之差；低湿型（0.5%RH-30%RH）中湿型（30%RH-70%RH）高湿型（70%RH-100%RH）全湿型（0-100%RH）例：R1%/R20%沈阳工业大学)e1(KKt-tF响应时间G湿滞回线和湿滞回差I频率特性加直流电压，会引起湿敏元件的感湿体内水分子电解，致使其电导率随时间的延长而下降。故采用交流电压。注：通常脱湿响应时间大于吸湿相应时间；H电压特性高湿时，频率影响较小；低湿高频时，频率增加，元件阻值下降，上限频率通常由实验决定；为防止水解，频率通常大于50Hz。3湿度传感器的主要参数沈阳工业大学4几种常用测量湿度方法用纤维素与约50微米厚金属箔粘合在一起，卷成螺旋状构成；适用范围:30%～100%RH。毛发湿度计电子式温湿度计干湿球式温湿度计沈阳工业大学5电解质湿度传感器R感湿膜梳状柱状氯化锂湿度—电阻特性曲线吸附脱附15℃7.06.56.05.55.04.54.0405060708090相对湿度/%RH电阻值的对数/利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。原理沈阳工业大学水分子结构示意图6半导体陶瓷湿敏元件材料金属氧化物半导体陶瓷类型烧结型、厚膜型和薄膜型感湿机理A电子导电理论B质子导电理论C电子-质子混合导电理论陶瓷湿敏元件利用其表面多孔性吸湿导电。特点测湿范围宽，工作温度高，响应时间短、精度高；水分子特点极性分子，电子云趋向于氧原子，氢原子附近有很强的正电场，水分子具有很强的电子亲和力。沈阳工业大学6半导体陶瓷湿敏元件感湿机理A电子导电理论实质：用能带理论来解释多孔陶瓷的感湿机理。表面能级表面受主态能级表面施主态能级成对出现本征表面态P型金属氧化物半导体(a)未吸附水分子时(b)吸附水分子后P型半导体陶瓷表面能态水分子在晶粒表面吸附，在价带上方产生新的能级，相对湿度增大时，表面吸附的水增多，增加了表面受主密度。表面空穴的浓度随相对湿度的增大而不断增大，使表面电阻明显下降，引起感湿陶瓷的电阻下降。沈阳工业大学6半导体陶瓷湿敏元件感湿机理A电子导电理论N型金属氧化物半导体AEiBA过程：正感湿过程。B过程：随着相对湿度，界面积累的空穴浓度将超过导带中原有电子浓度，出现反型层，界面电阻率下降，呈现负感湿特性。沈阳工业大学B质子导电理论6半导体陶瓷湿敏元件感湿机理-32OHOHO2HC电子-质子混合导电理论化学吸附产生电场促进物理吸附水的分解，其电荷输运是通过一个质子附载在水分子上形成水合氢离子进行的，表现为负感湿特性。在任何湿度下，陶瓷湿敏元件同时存在有电子导电和质子导电。低湿情况下，则以电子导电为主。高湿情况下，则以质子导电为主。中等湿度情况，则是电子导电和质子导电的过渡区域。沈阳工业大学6.1MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏元件结构6半导体陶瓷湿敏元件以不同的金属氧化物为原料，通过典型的陶瓷工艺烧制而成。陶瓷湿敏元件结构图金隔漏环感湿陶瓷多孔RuO2电极加热器陶瓷基板电极引线（Pt-Ir）沈阳工业大学RH0eRR6.2MgCr2O4-TiO2湿敏元件特性（国产SM-1型）6半导体陶瓷湿敏元件⑴阻-湿特性⑵响应时间吸湿和脱湿响应时间约为10s；⑶加热清洗特性⑷气敏特性MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷材料为多孔性结构，工作温度低于150℃时，良好感湿特性；300-550℃时，丧失对水蒸汽敏感特性，对多种气体敏感，例如乙醇。沈阳工业大学6.2MgCr2O4-TiO2湿敏元件特性（国产SM-1型）6半导体陶瓷湿敏元件日本松下公司MgCr2O4-TiO2系多功能传感器典型特性沈阳工业大学6.3MgCr2O4-TiO2湿敏元件工艺6半导体陶瓷湿敏元件⑴材料制备配比：MgO:Cr2O3:TiO2=70:70:30(摩尔分数)。配好原料放入球磨罐中进行球磨。干燥、过筛后，制成粒径合适的粉料。⑵成型在加工好的粉料中加入有机粘合剂，搅拌均匀后，装入模具内，经压力机加压成型。⑶烧成从室温升到300℃左右，适当保温一段时间，把粘合剂从陶瓷胚体中排出，防止高温烧结时粘合剂燃烧出现裂纹。然后升温，在1300℃下保温2-4h。⑷电极制作选用Ru（钌）O2，RuO2材料方块电阻小（热膨胀系数相当、附着力好，化学性能稳定），RuO2电极具有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面。(5)安置加热器沈阳工业大学6.4ZrO2厚膜陶瓷湿敏元件6半导体陶瓷湿敏元件厚膜陶瓷感湿机理由于物理吸附的水，在湿敏感湿层的表面上进行解离而产生质子，实际是质子导电。元件的结构工艺ZrO2-Y2O3的固溶体简称YSZ钇沈阳工业大学ZrO2厚膜湿敏元件的特性6半导体陶瓷湿敏元件⑴湿度、温度特性在低湿度时，温度对阻-湿特性影响较大。在相对湿度不变的情况下，随温度的上升，阻值减小，呈现出NTC热敏电阻特性。⑵响应特性湿度从84%RH变化到53%RH时响应速度要慢些，即脱湿过程慢。在室温下吸湿时间为20s，脱湿时间约为1min。沈阳工业大学6.5多孔Al2O3湿敏元件片状、棒状、针状类型6半导体陶瓷湿敏元件片状多孔Al2O3湿敏元件结构电极引线电极引线上电极（Au）多孔Al2O3膜区致密Al2O3膜区下电极元件结构元件核心：具有感湿特性的多孔Al2O3膜；工艺：采用阳极氧化法制备；沈阳工业大学222122222212220PRRCf4)RR(RCCC感湿机理6半导体陶瓷湿敏元件222122222212221222210pRRCf4)RR(RRCRRR1R1剖面图等效电路2210011111CjRRCjRZ等效电路阻抗：可得：沈阳工业大学多孔Al2O3湿敏元件的特性参数6半导体陶瓷湿敏元件(1)感湿特性膜厚度对其感湿特性的影响。总结：对以Cp为感湿特征量的元件，厚度越小，越好；沈阳工业大学多孔Al2O3湿敏元件的特性参数6半导体陶瓷湿敏元件(1)感湿特性膜厚度对其感湿特性的影响。总结：对以Rp为感湿特征量的元件，厚度越大，有利于提高灵敏度；沈阳工业大学测量绝对湿度的感湿特性曲线Cp值越大，Cp随露点温度变化越明显，元件灵敏度越高。CAeCBTp6半导体陶瓷湿敏元件多孔Al2O3湿敏元件的特性参数函数关系：⑵响应时间环境温度越高，通气流速越大，响应时间越短；⑶湿滞特性阳极氧化时生成的多孔Al2O3有多个解理面，易于产生裂纹，以致在该处易于聚集水分而成缓慢的扩散源。气孔孔型不规则，分布不均匀，外电极上有机物的玷污，过厚的外电极金属膜以及过大的感湿面积等，都是湿滞的原因。沈阳工业大学7元素半导体湿敏元件材料原理用Ge，Si或C等薄膜制成的；当环境温度发生变化时，水分子的吸附将改变晶粒的表面态的占据情况，以及影响晶粒界面的势垒高度，有效的改变薄膜的电阻。硅（Si）烧结型湿敏元件在Al2O3基片上，烧结一对金电极，涂覆一层Si湿敏材料。结构感湿特性曲线沈阳工业大学湿敏二极管8半导体结型和MOS型湿敏元件结构I-V曲线表面态能级填充引起肖特基势垒变化。沈阳工业大学湿敏MOSFET（MOSFET）的栅极上涂覆一层感湿薄膜，再在感湿薄膜上增设一个金属电极构成。8半导体结型和MOS型湿敏元件湿敏MOSFET是N沟道耗尽型，在栅压为零时，有沟道存在，工作时，无需外加栅压。沈阳工业大学利用有机高分子材料吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成结露传感器。9.高分子湿度传感器原理高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构高分子薄膜上部电极下部电极沈阳工业大学相对湿度/%050100200250300350电容—湿度特性C/pF（f=1.5MHZ）传感器的电容量变化很大,线性度欠佳,可外接转换电路,电容—湿度特性趋于理想直线。传感器特性（1）电容—湿度特性9.高分子湿度传感器（2）响应特性高分子薄膜可以做得极薄，吸湿响应时间都很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。（3）电容一温度特性电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在5℃~50℃范围内,电容温度系数约为0.06％RH/℃。沈阳工业大学电阻式高分子膜湿度传感器（1）聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器梳状电极引线端感湿膜基片9.高分子湿度传感器（2）电阻—湿度特性1K30405060708090吸湿10K100K1M10M相对湿度/%R/Ω脱湿Δ±3%RH电阻—湿度特性沈阳工业大学聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在(0～55)℃时，温度系数为(–0.6％～–1.0％)RH/℃。04020104608010050℃10102103聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性25℃40℃R/Ω相对湿度/%（3）温度特性电阻式高分子膜湿度传感器9.高分子湿度传感器沈阳工业大学10湿敏传感器的应用10.1湿敏元件的标定结构简单，费用少，操作方便，精度较高，但湿度是不连续的。饱和盐溶液法（湿度固定点法）特点:将饱和盐水溶液置于封闭的容器中，在给定的温度下，盐溶液达到饱和时，其平衡蒸汽压也将恒定。沈阳工业大学)%(%100RHeetst特点:双温法相对湿度:10.1湿敏元件的标定10湿敏传感器的应用气体通过具有一定温度的饱和槽，使其成为饱和气体，饱和槽的饱和水蒸气压为et，再将气体通入比饱和槽温度高的试验槽，试验槽温度对应的饱和水蒸气压为ets。装置简单，难于精确控制温度，精度低。沈阳工业大学将被压缩的干燥气体通入一定温度下的饱和槽内，使之变成饱和气体，饱和槽的气体压力为Ps，再将这种饱和气体膨胀到同一温度下的试验槽中，由于压缩气体的膨胀，气体变成了非饱和的气体，若试验槽内的气体压力为Pt。)%(%100RHppst因高、低湿时气体膨胀情形不一样，对调整压力精度的技术要求高。特点:双压法(压缩膨胀法)相对湿度:10.1湿敏元件的标定10湿敏传感器的应用沈阳工业大学AH-TB0eRR10.2湿敏元件的温度补偿半导体陶瓷湿敏元件（NTC）特性电阻温度系数（TCR）：电阻湿度系数（HCR）：2TBTRR1TCRAHRR1HCR对于负温度系数湿敏元件，温度补偿方法在测试探头回路中串联正温度系数元件。BpTpT