半导体气敏传感器.PPT

第2章 半导体气敏传感器 气敏传感器能够有选择地将气体浓度转化为相应的电信号。自从l 962年用金属氧化物多晶制成的可燃性气体传感器面世，其中薄膜型元件尤其受到重视，除了元件体积小、功耗低、特性一致性好等种种优点之外，薄膜技术可与集成电路的制造工艺兼容，这是极其重要的。 半导体气敏传感器依控制机理可分为两类，一类是电阻控制型气敏传感器；另—类是非电阻型气敏传感器。 实际应用中，气敏传感器应满足下列要求： (1)具有良好的选择性。 (2)具有较高的灵敏度和宽响应动态范围。 (3)性能稳定。 (4)响应速度快，重复性好。 (5)保养简单，价格便宜等。 电阻控制型气敏传感器机理 电阻控制型气敏传感器是通过敏感元件与被测气体的接触引起的电导变化来检测气体的。依据发生变化的是表面电导还是体电导可分为表面电导型传感器和体电导型传感器。 这种传感器的敏感元件有多种构造。 晶界势垒模型 晶界势垒模型基于半导体气敏材料是由许多晶粒组成的多晶体，在晶粒接触的界面处存在着势垒和界面态。以检测可燃性气体的SnO2材料为例，一般情况下，界面处吸附氧化性气体(如空气中的O2或NO2等)，界面态被氧原子所饱和。由于氧从半导体晶粒表面吸附负电荷(形成O-，O，O2-)等： 反应释放出电子，降低了表面势垒，从而削弱了势垒对电子运动的阻碍作用，则材料表现出较低的电阻率。势垒的变化如图所示。该模型较好地解释气敏元件在还原性气体中电阻率下降的规律。两式合并则有： 影响电阻控制型气敏传感器的因素 1 氧化分压 2 ．温度对于不同的气体，气体传感器电阻值与温度存在不同的函数关系，并且这种关系与不同的气敏元件及其催化剂有关。由于氧吸附的作用，金属氧化物半导体气敏传感器的灵敏度与温度密切相关。实际应用中，应选择工作温度低、灵敏度高的气敏传感器。 3 湿度湿度对传感器电导的影响与温度有关。在高温范围内， SnO2 气敏传感器电导值随温度变化关系在干燥空气和潮湿空气中趋于一致。因此，选择气敏传感器的工作温度时，应考虑湿度对电导的影响． 气敏传感器的集成化与智能化 气敏传感器的集成化和智能化一般具有两方面的含义：第一，把一些相同或不同的多个传感器集成在同一芯片上构成阵列式传感器，第二，将过去安放于传感器后级的信导处理电路与传感器集成在同一芯片上构成集成传感器。 半导体场效应型气敏元件。该结构器件由于灵敏度高可在室温下工作，且温度稳定性好于通常的晶体管，因而简化了温度处理结构，适宜作集成敏感元件。 2．集成化设计 1)相邻相似单元 集成电路工艺的特点是制作器件的绝对参数即使不够精确，器件间的电学参数、几何参数的比例值却依然保持准确一致。这样，制作相邻、相似的集成气敏单元，在它们有特性漂移的情况下，由于其漂移特性相同，可以相互抵消，从而可提出所需信号。 2)带有自恒温系统与信号处理电路的传感器 —般气敏元件需要在加热条件下工作，因此许多气敏单元都带有加热器。将控制电路与敏感单元及测温二极管集成在一起时，就可以根据需要，使气敏传感器工作在对被测气体灵敏度最高的合适温度。这一具有反馈的系统结构如图所示。 3)气敏单元阵列 通过多个数据融合、模式识别技术等对数据进行处理，得到更加合理和精确的结果，并可以实现多功能。气敏单元阵列可采用多种制作方法： (1)采用不同工作机理的传感器， (2)采用各种不同的敏感材料制作传感器。 (3)通过控制材料的微观结构、选择新的添加剂及改变器件结构的几何尺寸，来获得不同性能的气体传感器，如带孔和不带孔的Pd栅MOSFET气体传感器、多层薄膜结构元件等。 * * 烧结元件 薄膜敏感元件 厚膜元件 集成结构 丝网印刷 从而提高了界面势垒，阻碍了电子在晶粒之间的运动，因而材料表现出较高的电阻率。若气敏元件接触可燃性气体．则可燃性气体与所吸附的氧发生反应。以H2为例； 可见，还原性气体使气敏元件电阻率下降的反应实质上就是还原性气体的燃烧反应。加热能促进其燃烧反应，故半导体气敏传感器通常在加热条件下使用。 KH2，KO2---H2，O2的吸附平衡常数； PH2，PO2---H2，O2分压 氧化物半导体表面的气-气反应与气体吸附覆盖度直接相关，此时传感器阻值与PH2 PO2均有关系，当氧气分压很大，氧吸附接近饱和，即KO2PO2KH2PH2+1时，有： 半导体气敏传感器电导与水蒸汽分压呈对数线性关系