第9章 半导体1气敏

1、第第9 9章章 半导体传感器半导体传感器9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器9.2 9.2 湿敏传感器湿敏传感器9.3 9.3 色敏传感器色敏传感器9.4 9.4 半导体传感器的应用半导体传感器的应用 9.1 气气 敏敏 传传 感感 器器 9.1.1 概述概述 检测气体类别、浓度和成分的传感检测气体类别、浓度和成分的传感器。器。 由于气体种类繁多由于气体种类繁多, 性质各不相同，性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气不可能用一种传感器检测所有类别的气体，体， 因此，能实现气因此，能实现气电转换的传感电转换的传感器种类很多。器种类很多。 按照构成气敏传感器的材料可分为按照构成气敏传感器

2、的材料可分为半导体半导体和和非半导体非半导体两大类。两大类。 使用最多的是半导体气敏传感器。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：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。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的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为：体内部，可分为： 表面控制型表面控制型 体控制型。体控制型。 表面控制型半导体表面吸附的气体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，与

3、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结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，发生变化， 但内部化学组成不变；但内部化学组成不变； 体控制型半导体与气体的反应，使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，而使电导率半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。变化。 按照半导体变化的物理特性，又可按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型。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材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度。体的成分或浓度。 非电阻型半导体气敏元件是利用其非电阻型半导

4、体气敏元件是利用其它参数，它参数， 如二极管伏安特性和场效应晶体管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。的阈值电压变化来检测被测气体的。 表表9-1 半导体气敏元件的分类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气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，体中使用的， 由于检测现场温度、湿度的变化很由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生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，往化学反应物，附着在传感元件表面，往往会使其

5、性能变差。往会使其性能变差。 因此，对气敏元件有下列要求：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。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、预报和自爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。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的机理 半导体气敏传感器是利用气体在半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导体表面的氧化和还原

6、反应导致敏感元件阻值变化而制成的。件阻值变化而制成的。 当半导体器件被当半导体器件被加热到稳定状态加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，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，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，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另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。定在吸附处（化学吸附）。 当半导体的功函数小于吸附分子的当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力亲和力(气体的吸附和渗透特性气体的吸附和渗透特性)时，吸时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子附分子将从器件

7、夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。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气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。体。 如果半导体的功函数大于吸附分子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。子，而形成正离子吸附。 具有正离子吸附倾向的气体有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、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。原型气体或电子供给型气体。 当氧化型气体吸附到当氧化型气体

8、吸附到N型半导体上，型半导体上，还原型气体吸附到还原型气体吸附到P型半导体上时，将型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。使半导体载流子减少，而使电阻值增大。 当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N型半导体上，型半导体上，氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到P型半导体上时，则型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。载流子增多，使半导体电阻值下降。 图图9-1表示了气体接触表示了气体接触N型半导体型半导体时所产生的器件阻值变化情况。时所产生的器件阻值变化情况。 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100550加 热 开 关大 气 中2 min 4 min吸 气 时还 原 型氧 化

9、 型稳 定 状态器 件 加 热响 应 时 间 约 1 min以 内器 件 电 阻 / k 由于空气中的含氧量大体上是恒定由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。阻值也相对固定。 若气体浓度发生变化，其阻值也将若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。变化。 根据这一特性，可以从阻值的变化根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。得知吸附气体的种类和浓度。 半导体气敏时间半导体气敏时间(响应时间响应时间)一般不一般不超过超过1min。 N型材料有型材料有SnO2、ZnO、TiO等，等， P型材料有型材料有MoO2、

10、CrO3等。等。 9.1.3 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 1. 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 组成：敏感元件、加热器、外壳组成：敏感元件、加热器、外壳分类：烧结型、薄膜型、厚膜型分类：烧结型、薄膜型、厚膜型烧结型气敏器件 烧结型气敏器件以烧结型气敏器件以SnO2半导体材料半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材材料中，料中， 用加热、加压、温度为用加热、加压、温度为700900的的制陶工艺烧结成形。制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。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半导瓷内

11、的晶粒直径为1m左右，左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气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。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；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。较差，因此应用受到一定限制。 薄膜型器件 薄膜型器件采用蒸发或溅射工艺，薄膜型器件采用蒸发或溅射工艺， 在石英基片上形成氧化物半导体薄在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度小于膜（其厚度小于100nm），制作方法简）

12、，制作方法简单。单。 SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，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，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。因此器件间性能差异较大。 330.5(单 位 : mm)7(c)氧 化 铝 基 片Pt电 极氧 化 物 半 导 体器 件 加 热 用 的 加 热 器 (印 制厚 膜 电 阻 ) 厚膜型器件 厚膜型器件将氧化物半导体材料与厚膜型器件将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶， 再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。基片上，经烧结制成的。 元件机械强度高

13、，离散度小，适合元件机械强度高，离散度小，适合大批量生产。大批量生产。 这些器件全部附有加热器这些器件全部附有加热器。 加热器的作用加热器的作用: 将附着在敏感元件表面上的尘埃、将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在加热器的温度一般控制在200400左右。左右。 加热方式有直热式和旁热式两种，加热方式有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。因而形成了直热式和旁热式气敏元件。 直热式气敏器件的结构及符号如图直热式气敏器件的结构及符号如图9-3所示。

14、所示。直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号1234SnO2烧结体IrPd合金丝(加热器兼电极)13242 41 3(a)(b) 直热式器件是将加热丝、直热式器件是将加热丝、 测量丝直测量丝直接埋入接埋入SnO2或或ZnO等粉末中烧结而成的，等粉末中烧结而成的， 工作时加热丝通电，测量丝用于测工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、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，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，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测量回路

15、和加热回路间没有隔离而相互影响。影响。 国产国产QN型和日本费加罗型和日本费加罗TGS109型气敏传感器均属此类结构。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旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示。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，在金电极外外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上涂上SnO2等材料。等材料。 旁热式结构的气敏传感器克服了直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热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，离， 旁热式气敏

16、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，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热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，器件加热温度的影响， 所以这类结构器件的稳定性、可靠所以这类结构器件的稳定性、可靠性都较直热式器件好。性都较直热式器件好。 国产国产QM-N5型和日本费加罗型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感器都采用这种型等气敏传感器都采用这种结构。结构。 2. 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏器件也是半导体气

17、敏非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。传感器之一。 它是利用它是利用MOS二极管的电容二极管的电容电压电压特性的变化以及特性的变化以及MOS场效应晶体管场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等而制成的阈值电压的变化等而制成的气敏元件。的气敏元件。 由于器件的制造工艺成熟，便于器由于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。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利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。气体特别敏感。 (1) MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程二极管气敏元件制作过程: 在在P型半导体硅片

18、上，利用热氧化型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为工艺生成一层厚度为50100nm 的二氧的二氧化硅化硅(SiO2)层，层， 然后在其上面蒸发一层钯然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金的金属薄膜，作为栅电极，如图属薄膜，作为栅电极，如图9-5(a)所示。所示。 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性 M(Pd)SiO2PSiCaCsCOVab(a)(b)(c) 由于由于SiO2层电容层电容Ca固定不变，而固定不变，而Si和和SiO2界面电容界面电容Cs是外加电压的函数，是外加电压的函数，因此由等效电路可知，总电容因此由等效电路可知，总电容C也是

19、栅也是栅偏压的函数。偏压的函数。 由于钯对氢气由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸特别敏感，当钯吸附了附了H2以后，会使钯的功函数降低，导以后，会使钯的功函数降低，导致致MOS管的管的C-U特性向负偏压方向平移。特性向负偏压方向平移。 根据这一特性就可用于测定根据这一特性就可用于测定H2的浓的浓度度 (2) MOS场效应晶体管气敏器件场效应晶体管气敏器件 钯 钯 M O S 场 效 应 晶 体 管场 效 应 晶 体 管 ( P d -MOSFET)的结构，参见图的结构，参见图9-6。 钯MOS场效应晶体管的结构PSiNNAlSiO2DSPd栅 由于由于Pd对对H2很强的吸附性，当很强的吸附性，当H2吸吸附在附在Pd栅极上时，会引起栅极上时，会引起Pd的功函数降的功函数降低。低。 由由MOSFET工作原理可知，当栅极工作原理可知，当栅极(G)、源极、源极(S)之间加正向偏压之间加正向偏压UGS，且，且UGSUT(阈值电压阈值电压)时，则栅极氧化层下时，则栅极氧化层下面的硅从面的硅从P型变为型变为N型。型。 钯MOS场效应晶体管的结构PSiNNAlSiO2DSPd栅 这个这个N型区就将源极和漏极连接起型区就将源极和