第七章新型气体传感器及阵列精要.ppt

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 第七章 新型气体传感器及阵列 7.1 概 述 7.2 气体传感器敏感机理 7.3 新型气体传感器及阵列 目 录 领域前沿 科研思路 基础 加深概念 7.1 概 述 7.1.1气体传感器基本概念 7.1.2 气体传感器的分类 7.1.1 气体传感器基本概念 气体传感器：是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 体积小 灵敏度高 携带方便 智能程度高 可远距离探测 … … 7.1.1 气体传感器基本概念 气体传感器必须满足下列条件： 能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其它基准设定浓度；并能及时给出报警、显示和控制信号； ppm：parts per million 1ppm=1mg/kg=1mg/L =1×10-6 1ppb= 1×10-9 7.1.1 气体传感器基本概念 气体传感器必须满足下列条件： 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感； 性能长期稳定性好； 响应迅速、重复性好； 维护方便、价格便宜等。 交叉敏问题 电子鼻 标准的TO-5金属封装 封装 氧气、水汽、灰尘等影响 7.1.2 气体传感器的分类 气敏元件 干式 湿式 半 导 体 式 半导体陶瓷型 厚膜型 薄膜和微粒子型 固体电介质式（ZrO2） 红外线吸收式 导热率变化式（热线，热敏电阻） 以固定电位电解式为代表 （极谱式，原电池式） 接触燃烧式 基于强催化剂使气体在传感器表面燃烧产生热量，使传感器温度上升，导致贵金属电极电导随之变化。 当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收，通过光强的变化测试气体浓度 一种以离子导体为电解质的化学电池 7.2 气体传感器敏感机理 从材料设计的角度揭示决定传感器性能的三个关键因素： 识别功能—待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附 比表面积、氧化活性、表面酸碱度等 转换功能—化学量向电学量（电阻）的转换能力 敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等 敏感体的利用效率 —在待测气氛中敏感体电阻 变化部分占整个敏感体的比率 敏感材料的多孔性、催化活性及待测气体的扩散系数等 ——国际著名传感器专家N. Yamazoe建立的氧化物半导体气体传感器的理论框架 半导体气体传感器四种模式的气敏机理 整体原子价控制理论 能级生成理论 表面电荷层理论 接触粒界势垒理论 7.2 气体传感器敏感机理 若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。具有这种性质的气体称为氧化性气体，例如，O2，NOx等。 若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸气体将把电子给予元件而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸附性质的气体称为还原性气体，如H2，CO, HC和乙醇等。 7.2 气体传感器敏感机理 1. 整体原子价控制理论 本理论适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物； 用ABO3一般式来表示钛矿型氧化物，其导电过程是通过B元素与氧组成的三维网孔状结构进行的； 气体的离解作用可以把网状构造的某一部分切断，一旦发生这种现象，复合氧化物的电阻值将显著增加。 BaTiO3的晶体结构示意图 7.2 气体传感器敏感机理 1. 整体原子价控制理论 7.2 气体传感器敏感机理 铁酸盐复合氧化物（P-MFe2O4）的气敏机理模型 原始态P型-MFe2O4 吸附氧 吸附氧俘获电子，表层空穴浓度进一步增加，表面层电阻下降 Fe3+ Fe2+ 还原性气体 表面Fe3+被还原成Fe2+，由于还原性气体的离解作用，使晶体结构中的电价配置和缺陷发生变化，导电的三维网络某一部分被切断，电阻升高 2. 能级生成理论 7.2 气体传感器敏感机理 N型半导体 （SnO2、ZnO等） 还原性气体 氧化性气体 给电子 束缚空穴 R 给空穴 减少导带电子数 R 3. 表面电荷层理论 7.2 气体传感器敏感机理 在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级空间电荷层。 从化学键模型角度，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施主杂质和受主杂质。 EF 表面能级 氧化性气体： 阴离子吸附 气体分子 吸取电子 EF 表面能级 还原性气体： 气体分子 提供电子 电荷层电导率 阳离子吸附 电荷层电导率 4. 接触粒界势垒理论 7.2 气体传感器敏感机理 根据多晶半导体能带模型而提出 多晶硅薄膜SEM图