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2.7 色敏光电传感器

色敏光电传感器是半导体光敏传感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。

2．7．1 色敏光电传感器的基本原理
色敏光电传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构原理及等效电路如图2.42所示。
在图2.42中所示的P+ -N-P不是晶体管，而是结深不同的两个P-N结二极管，浅结的二极管是P+-N结；深结的二极管是P-N结。当有入射光照射时，P+、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收外部。在此,浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，也就是可以用来测量人射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。也就是说，测定不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1,ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大。ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。因而二都有的比值与人射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。
图2.43表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中VD1代表浅结二极管，VD2代表深结二极管。

图2.42 色敏光电传感器结构和等效电路图 图2.43 硅色敏管中VD1和VD2的光谱响应曲线

2.2.7 色敏光电传感器的基本特征
1．光谱特性
色敏光电器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范围，不同型号之间略有差别。图2.44（a）给出国产CS-1型色敏光电器件的光谱特性，其波长范围是400nm~1000nm。

（a）光谱特性 （b）短路电流比-波长特性
图2.44 色敏光电器件特性

2.短路电流比-波长特性
短路电流比-波长特性是表征半导体色敏度器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性，图2.44（b）表示上述CS-1型色敏光器件的短路电流比——波长特性曲线。
3．温度特性
由于色敏光电器件测定的是两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数。这种内部补偿作用使色敏光电器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。

7.2.6气敏传感器的应用
各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。
1、 简易家用气体报警
图7.29是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。

图7.29 最简单的家用气体报警器电路

2、 有害气体鉴别、报警与控制电路
图7.30给出的有害气体鉴别、报警与控制电路图一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气，使室内空气清新。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高（10KΩ左右），有有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降，使得B的电压升高，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端⑤脚，当⑤脚电压达到预定值时（调节可调电阻RP可改变⑤脚的电压预定值），①、②两脚导通。+12V电压加到继电器上使其通电，触点J1-1吸合，合上排风扇电源开关自动排风。同时②脚+12V电压经R4限流和稳压二极管DW1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声，而且发光二极管发出红光，实现声光报警的功能。

图7.30 实验室有害气体鉴别与控制电路

3、 可燃性气体浓度检测电路
图7.31给出检测电路原理图，它可用于家庭对煤气、一氧化碳、液化石油气等泄露实现监测报警。图中U257B是LED条形驱动器集成电路，其输出量（LED点亮只数）与输入电压成线性关系。LED被点亮的只数取决于输入端⑦脚电位的高低。通常IC⑦脚电压低于0.18V时，其输出端②~⑥脚均为低电平，LED1~LED5均不亮。当⑦脚电位等于0.18V时，LED1被点亮；⑦脚电压为0.53V时，则LED1和LED2均点亮；⑦脚电压为0.84V时，LED1~LED3均点亮；⑦脚电压为1.19V时，LED1~LED4均点亮；⑦脚电压等于2V时，则使LED1~LED5全部点亮。U2587的额定工作范围8V~25V；输入电压最大5V；输入电流0.5mA；功耗690mW。采用低功耗、高灵敏的QM-N10型气敏检测管，它和电位器RP组成电路，气敏检测信号从RP的中心端旋臂取出。

图7、31 可燃性气体浓度检测电路原理图
当QM-N10不接触可燃性气体时，其A-B两极间呈高阻抗，使得⑦脚电压趋于0V，相应LED1~LED5均不亮。当QM-N10处在一定的可燃性气体浓度中时，其A-B两电极端电阻变得很小，这时⑦脚存在一定的电压0.18V，使得相应的发光二极管点亮。如果可燃性气体的浓度越高，则LED1~LED5依次被点亮的只数越多。
4、 矿灯瓦斯报警器
图7.32所示为矿灯瓦斯报警器电路，其瓦斯探头由QM-N5型气敏元件RQ、R1及4V矿灯蓄电池等组成，其中R1为限流电阻。因为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏元件在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。一般将矿灯瓦斯报警器直接安放在矿工的工作帽内，以矿灯蓄电池为电源。当瓦斯超限时，矿灯自动闪光并发出报警声。图中ZD为矿灯，C1、C2为CD10电解电容器，D为2AP13型锗二极管；T1为3DG12B，β=80；T2为3AX81，β=70；J为4099型超小型中功率继电器；全部元件安装在矿帽内。

图7.32 矿灯瓦斯报警器电路
RP为报警设定电位器。当瓦斯超过某设定点时，RP输出信号通过二极管D加到T1基极上，T1导通，T2、T3便开始工作。而当瓦斯浓度过低时，RP输出的信号电位低，T1截止，T2、T3也截止。T2、T3为一个互补式自激多谐振荡器。在T1导通后电源通过R3对C1充电，当充电至一定电压时T3导通，C2很快通过T3充电，使T2导通，继电器J吸合。T2导通后C1立即开始放电，C1正极经T3的基极、发射极、T1的集电结、电源负极，再经电源正极至T2集电结至C1负极，所以放电时间常数较大。当C1两端电压接近零时，T3截止，此时T2还不能马上截止，原因是电容器C2上还有电荷，这时C2经R2和T2的发射结放电，待C2两端电压接近零时T2就截止了，自然J也就释放。当T3截止，C1又进入充电阶段，以后过程又同前述，使电路形成自激振荡，J不断地吸合和释放。由于J与矿灯都是安装在工作帽上，J吸合时，衔铁撞击铁芯发出的“嗒、嗒”声通过矿帽传递给矿工听见。同时，矿灯因J的吸合与释放也不断闪光，引起矿工的警觉，他可及时采取通风措施。对RQ要采取防风防煤尘措施但要透气，将它安装在矿帽前沿。调试时通过15min后，在清洁空气中调节RP，使D的正极对地电压低于0.5V，使T1截止；然后将气敏元件通入瓦斯气样，报警即可。

7、3 湿敏传感器
湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的绝对含量、浓度或者密度，一般用符号AH表示。相对湿度是指被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气的百分比，一般用符号RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。
下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器。

7.3.1氯化锂湿敏电阻
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿盐类潮解，离子导电率发生
变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图7.33所示，
由引线、基片、感湿层与电极组成。
氯化锂通常与聚乙稀醇组成混合体，在氯化锂（LiCl） 1.引线 2.基片 3.感湿器 4.金属电阻
溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子 图7.33 湿敏电阻结构示意图
的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与
浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高
，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。
反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下
降从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的湿度—电阻曲
线如图7.34所示。
由图可知，在50%~80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变
化呈线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯
化锂含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为（10%~20%）
RH，（20%~40%）RH，（40%~70%）RH，（70%~90%）RH和
（80%~90%）RH五种元件配合使用，就可自动地转换完成整个
湿度范围的测量。 图7.34 氯化锂湿度-电阻特性曲线

氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。
7 .3. 2 半导体陶瓷湿敏电阻
半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增大而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度的增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷（为叙述方便，有时称将半导体陶瓷简称为半导瓷）。

1、 负特性湿敏半导瓷的导电机理 106 2 1
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半 3
导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子
使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是P型半导体，
则由于水分子吸附使表面电势下降。若该半导瓷为N
型，则由于水分子的附着使表面电势下降。如果表面
电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引
更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴
浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴
称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而对电导
做出贡献，由此可见，不论是N型还是P型半导瓷， 图7、35 几种半导瓷湿敏负特性
其电阻率都随湿度的增加而下降。图7.35表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度的关系。
2、 正特性湿敏半导瓷的导电机理
正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高；但是，由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。图7.36给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。

电阻/Ω

相对湿度/（%RH）
图7、36 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性 图7、37 MgCr2-TiO4陶瓷湿度传感器的结构
3、 典型半导瓷湿敏元件
（1） MgCr2O4-TiO2湿敏元件
氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低阻值特性好，结构如图7.37所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。
MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系，见图7.38所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度而减少，又随周围环境温度的变化而有所变化。
（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件
ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的，其结构如图7.39所示。

电阻/Ω

200C
400C
600C
800C

相对湿度/（%RH）
图7.38 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器 图7.39 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构
相对湿度与电阻的关系
ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用的测湿传感器。