7.2气敏传感器解析.ppt

7.2 气敏传感器 气敏传感器是用来测量气体的类别、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。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器，早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用不便已很少采用。 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制型、MOS器件）两种。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。 自从60年代研制成功SnO2(氧化锡)半导体气敏元件后，气敏元件进入了实用阶段。SnO2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。 7.2.1半导体气敏传感器 一、 SnO2系列气敏传感器 三种：烧结型（应用最多）、薄膜型、厚膜型 原理：常温下，吸附气体，电导率变化不大；温度升高，电导率变化大 均需附加加热器（加速气体的吸附，提高传感器灵敏度和相应速度） SnO2、ZnO等都属于表面控制型半导体气敏元件，它们不论在空气中或惰性气体中，当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化。下图给出n型氧化物半导体吸附气体后阻值变化情况。 半导体表面态理论认为，当气体分子的亲和能（电势能）大于半导体表面的电子逸出功时，则此种气体吸附后从半导体表面夺取电子而形成负离子吸附，如氧气、氧化氮；若在n型半导体表面形成负离子吸附，则表面多数载流子（导带电子）浓度减少，电阻增加。若在p型半导体表面形成负离子吸附，则表面多数载流子（价带空穴）浓度增大，电阻减小。若气体分子的电离能小于半导体表面的电子逸出功时，则气体供给半导体表面电子，形成正离子吸附，如H2、CO、C2H5OH及各种碳氢化合物；当n型半导体表面形成正离子吸附时，多数载流子浓度增加，电阻减小。当p型半导体表面形成正离子吸附时，则多数载流子浓度减小，电阻增加。因此认为产生气敏性。 SnO2系气敏元件的工作原理 SnO2与空气中电子亲和性大的气体（如O2和NO2等）发生反应，形成吸附氧会束缚晶体中的电子，使N型材料的表面空间电荷层的传导电子减少，从而使器件处于高阻状态。再与被测气体（如H2、CO）接触时，气体与吸附氧发生反应，将被氧束缚的电子释放出来，表面电导增加，使器件电阻减小。 二、烧结型SnO2气敏传感器 1、结构：芯片、基座和金属防暴网罩构成。 其敏感体是用粒径很小（平均粒径≤1μm）的SnO2粉体为基本材料，与不同的添加剂混合均匀，采用典型的陶瓷工艺制备，工艺简单，成本低廉。 分类：直热式和旁热式，旁热式比直热式可靠性和使用寿命高。主要用于检测可燃的还原性气体，如氢、CO、甲烷、乙烷、乙醇等。 直热式SnO2气敏元件 旁热式SnO2气敏元件 三、薄膜型SnO2气敏传感器 1、结构 采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下)。制作方法简单。实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好；但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。 四、厚膜型SnO2气敏传感器 这种器件是将SnO2气敏材料与3％～15％(重量)的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到装有铂电极的氧化铝(Al2O3)或氧化硅(SiO2)等绝缘基片上，再经400～800℃温度烧结1h制成。由于这种工艺制成的元件离散性小、机械强度高，适合大批量生产，所以是一种很有前途的器件。 图3-2-1 非电阻型(电压控制型)气敏器件 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容——电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体持别敏感。 7.2.4 MOS二极管气敏元件 MOS二极管气敏元件是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50～100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜作为栅电极，如下图(a)所示。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容CS是外加电压的函数。其等效电路见下图8(b)。 由等效电路可知，总电容C也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C—V特性。由于钯对氢气(H2)特别敏