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气敏传感器
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器,用来检测气体类别、浓
度和成分。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电
化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主
要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂
(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的
强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以
进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、
控制和报警系统。
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,因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时,产生的电
导率等物理性质变化来检测气体的。
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,可分为表面控制型和体控制型,前者半导体表面吸附的
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;后者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;非半导体式气敏元件则是根据气体的吸附和反应,使其某
些关系特性发生改变,来对气体进行直接或间接的检测,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1为半导体
气敏元件的分类:
表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,附着在元件表面,
往往会使其性能变差。但气敏元件不管其种类,应用范围如何,都必须
有下列要求:
1.对气体的敏感现象是可逆的。
2.单位浓度的信号变化量大。
3.能检测出的下限浓度低。
4.响应重复特性好。
5.选择性好,即对被测气体共存的其他气体不敏感。
6.对周围环境的依赖性小。
7.性能长期稳定,结构比较简单。
气敏元件的结构
气敏元件的结构主要由三部分组成:1.气体敏感元件,2.对敏感元
件进行加热的加热器支持上述部件的封装部分。下图:
(a)某气敏传感器的整体结构(b)元件内部示意图
其中最重要的为气体敏感元件。气敏元件是气敏传感器的核心,它
有三种结构类型:烧结体型,薄膜型和厚膜型。
(a)烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;(c)厚膜型器件
(a)为烧结型气敏元件。这类器件以SnO半导体材料为基体,将铂电
2
极和加热丝埋入SnO材料中,用加热、加压、温度为700~900℃的制陶
2
工艺烧结成形。因此,被称为半导体陶瓷,简称半导瓷。半导瓷内的
晶粒直径为1μm左右,晶粒的大小对电阻有一定影响,但对气体检测灵
敏度则无很大的影响。烧结型器件制作方法简单,器件寿命长;但由于
烧结不充分,器件机械强度不高,电极材料较贵重,电性能一致性较
差,因此应用受到一定限制。
(b)为薄膜型气敏元件。它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),制作方法也很简单。实
验证明,SnO半导体薄膜的气敏特性最好,但这种半导体薄膜为物理
2
性附着,因此器件间性能差异较大。
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