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半导体气体传感器

发表时间:2020-09-18 10:42

半导体气体传感器可分为电阻型和非电阻型(结型、MOSFET型、电容型)。电阻型气敏器件的原理是气体分子引起敏感材料电阻的变化;非电阻型气敏器件主要有M()s二极管和结型二极管以及场效应管(M()SFET),它利用了敏感气体会改变MOSFET开启电压的原理,其原理结构与ISFET离子敏传感器件相同。

电阻型半导体气体传感器

作用原理

人们已经发现SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在气敏效应。用这些金属氧化物制成的气敏薄膜是一种阻抗器件,气体分子和敏感膜之间能交换离子,发生还原反应,引起敏感膜电阻的变化。作为传感器还要求这种反应必须是可逆的,即为了消除气体分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。SnO2薄膜气敏器件因具有良好的稳定性、能在较低的温度下工作、检验气体种类多、工艺成熟等优点,是目前的主流产品。此外,Fe2O3也是目前广泛应用和研究的材料。除了传统的SnO、SnO2和Fe2O3三大类外,目前又研究开发了一批新型材料,包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发,大大提高了气体传感器的特性和应用范围。

选择性是气体传感器的关键性能。如SnO2薄膜对多种气体都敏感,如何提高SnO2气敏器件的选择性和灵敏度一直是研究的重点。主要措施有:在基体材料中加入不同的贵金属或金属氧化物催化剂,设置合适的工作温度,利用过滤设备或透气膜外过滤敏感气体。在SnO2材料内掺杂是改善传感器选择性的主要方法,添加Pt、Pd、Ir等贵金属不仅能有效地提高元件的灵敏度和响应时间,而且,催化剂不同,导致不同的吸附倾向,从而改善选择性。例如在SnO2气敏材料中掺杂贵金属Pt、Pd、Au可以提高对CH4的灵敏度,掺杂Ir可降低对CH4的灵敏度,掺杂Pt、Au提高对H2的灵敏度,掺杂Pd降低对H2的灵敏度。

工作温度对传感器的灵敏度有影响。下图左图为SnO2气敏器件对各种气体温度的电阻特性曲线。由图可见,器件在不同温度下对各种气体的灵敏度不同,利用这一特性可以识别气体种类。

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制备工艺对SnO2的气敏特性也有很大的影响。如在SnO2中添加ThO2,改变烧结温度和加热温度就可以产生不同的气敏效应。按质量计算,在SnO2中加入3~5%的ThO2,5%的Sm2.在600℃的H2气氛中烧结,制成厚膜器件,工作温度为400℃。则可作为CO检测器件。上图右图是烧结温度为600℃时气敏器件的特性。可看出,工作温度在170~200℃范围内,对H2的灵敏度曲线呈抛物线,而对CO改变工作温度则影响不大,因此,利用器件这一特性可以检测H2。而烧结温度为400℃制成的器件,工作温度为200℃时,对H2、CO的灵敏度曲线形状都近似呈直线,但对CO的灵敏度要高得多,可以制成对CO敏感的气体传感器。

结构及参数

SnO2电阻型气敏器件通常采用烧结工艺。以多孔SnO2陶瓷为基底材料,再添加不同的其他物质,用制陶工艺烧结而成,烧结时埋入加热电阻丝和测量电极。此外,也有用蒸发和溅射等工艺制成的薄膜器件和多层膜器件,这类器件灵敏度高,动态特性好。还有采用丝网印刷工艺制成的厚膜器件和混合膜器件,这类器件具有集成度高,组装容易,使用方便,便于批量生产的优点。

电阻型气体传感器的主要特性参数有:

1、固有电阻R0和工作电阻Rs

固有电阻Ro又称正常电阻,表示气体传感器在正常空气条件下的阻值。工作电阻Rs表示气体传感器在一定浓度被测气体中的阻值。

2、灵敏度S

通常用S=Rs/R0表示,有时也用两种不同浓度C1、C2)检测气体中元件阻值之比来表示:S=Rs(C2)/R0(C1)。

3、响应时间T1

反映传感器的动态特性,定义为传感器阻值从接触一定浓度的气体起到该浓度下的稳定值所需时间。也常用达到该浓度下电阻值变化率的63%时的时问来表示。

4、恢复时问T2

又称脱附时间。反映传感器的动态特性,定义为传感器从脱离检测气体起,直到传感器电阻值恢复至正常空气条件下的阻值,这段时间称为恢复时间。

5、加热电阻RH和加热功率PH

RH为传感器提供工作温度的电热丝阻值,PH为保持正常工作温度所需要的加热功率。

电阻型气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下,对气体的选择性较差,元件参数分散,稳定性不够理想,功率要求高,当探测气体中混有硫化物时,容易中毒。


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