第9章半导体1气敏案例.ppt

直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的， 工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用， 但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。 国产QN型和日本费加罗TGS＃109型气敏传感器均属此类结构。 旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示。 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号 将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。 旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离， 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号 而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响， 器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响， 所以这类结构器件的稳定性、可靠性都较直热式器件好。 国产QM-N5型和日本费加罗TGS＃812、813型等气敏传感器都采用这种结构。 9.1 气 敏 传 感 器 9.1.1 概述 检测气体类别、浓度和成分的传感器。 由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体， 因此，能实现气——电转换的传感器种类很多。 按照构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类。 使用最多的是半导体气敏传感器。 半导体气敏传感器的工作原理： 待测气体与半导体表面接触时，半导体的电导率等物理性质发生变化。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为： 表面控制型 体控制型。 表面控制型半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受， 结果使半导体的电导率等物理性质发生变化， 但内部化学组成不变； 体控制型半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。 按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型。 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度。 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数， 如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。 表9-1 半导体气敏元件的分类 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的， 由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在传感元件表面，往往会使其性能变差。 因此，对气敏元件有下列要求： 能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。 气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。 9.1.2 半导体气敏传感器的机理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。 当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时， 被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉， 另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。 例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。 具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给型气体。 当氧化型