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半导体气敏传感器

半导体气敏传感器是利用待检测气体与办导体表面接触时，产生的电导率等物理量性质变化来检测气体的。并且，它具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。

一、半导体气敏传感器的分类

半导体气敏传感器有多种分类方法，主要一种是将其分为两类—电导控制型气敏传感器和电压控制气敏传感器。其中电导控制型一般以金属氧化物半导体材料如SnO、ZnO、FeO系为基体，加入合适的催化金属和添加剂，采用烧结、厚膜或薄膜工艺制成。

半导体气敏传感器包括硫化氢气敏传感器和一氧化碳气敏传感器两个敏感器件。硫化氢气敏传感器是采用MOS场效应晶体管结构,利用过渡金属作栅极的气敏元件,当空气中存在硫化氢时,场效应晶体管的开启电压发生变化,变化的幅度与硫化氢的浓度成比例。一氧化碳气敏传感器是利用以二氧化锡为基体的铂－锑－二氧化锡敏感材料制成的表面电阻控制型敏感器件,当空气中有微量的一氧化碳存在时,器件的电阻急剧下降。该两种敏感器件灵敏度均≤10ppm;响应时间均≤0秒;感应时间均≤1秒。

二、半导体气敏传感器的原理

当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，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。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则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。具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON,等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则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,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体。

半导体气敏元件有N型和P型之分。N型材料有SnO2、ZnO、TiO型等，P材料有MoO2、CrO3等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气将使半导体载流子减少，而使电阻值增大;相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。例如:SnO2金属氧化物半导体气敏元件，在200-300度时吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其阻值增加。而当遇到有能供给电子的还原型气体（如CO等)时，原来吸附的氧脱附，而以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值回升到初始状态。

空气中的氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。

气敏元件在工作时都需要加热，其目的是加速气体吸附、脱出的过程，提高器件的灵敏度和反应速度;烧去附着在探测部分的油雾、尘埃等污物，起清洁作用;控制不同的加热温度，可以增强对被测气体的选择性，在实际工作时一般要加热到200-400度。

N型半导体吸附气体时器件阻值变化图

三、半导体气敏元件的特性参数

1、气敏元件的电阻值

将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ra。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。

2、气敏元件的灵敏度

是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。

（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：RC2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出（d）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压（e）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63%时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。（f）气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要