7.2气敏传感器解析

1、7.2 7.2 气敏传感器气敏传感器 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。按构成气敏传电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材料可分为感器材料可分为半导体半导体和和非半导体非半导体两大类。目前实际两大类。目前实际使用最多的是半使用最多的是半导体气敏传感器导体气敏传感器，早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用不便，早期所采用的电化学和光学

2、等方法，由于使用不便已很少采用。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、非电阻型（电压控制型、MOSMOS器件）两种。器件）两种。电阻型半导体气敏元件电阻型半导体气敏元件是利是利用半导体接触气体时，其用半导体接触气体时，其阻值的改变阻值的改变来检测气体

3、的成分或浓度；而来检测气体的成分或浓度；而非非电阻型半导体气敏元件电阻型半导体气敏元件根据其根据其对气体的吸附和反应对气体的吸附和反应，使其某些有关特，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。性变化对气体进行直接或间接检测。 自从自从6060年代研制成功年代研制成功SnOSnO2 2( (氧化锡氧化锡) )半导体气敏元件后，气敏元件进半导体气敏元件后，气敏元件进入了实用阶段。入了实用阶段。SnOSnO2 2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广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泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭

4、店等内部对可燃气体和有害气体的检测。气体的检测。 7.2.17.2.1半导体气敏传感器半导体气敏传感器 一、一、 SnO SnO2 2系列气敏传感器系列气敏传感器 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） SnOSnO2 2、ZnOZnO等都属于等都属于表面控制型半导体表面控制型半导体气敏元件，气敏元件，它们不论在空气中或惰性气体中，当表面吸附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。下图给出某种气体时会引起电导率的变化。下图给出n n型型氧

5、化物半导体吸附气体后阻值变化情况。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（半导体表面态理论认为，当气体分子的亲和能（电势电势能）大于能）大于半导体表面的电子半导体表面的电子逸出功逸出功时，则此种气体吸时，则此种气体吸附后从半导体表面夺取电子而附后从半导体表面夺取电子而形成负离子吸附形成负离子吸附，如氧，如氧气、氧化氮；若在气、氧化氮；若在n n型型半导体表面形成半导体表面形成负离子吸附负离子吸附，则，则表面多数载流子（导带电子）浓度减少，表面多数载流子（导带电子）浓度减少，电阻增加电阻增加。若在若在p p型型半导体表面形成半导体表面形成负离子吸附负离子吸

6、附，则表面多数载流，则表面多数载流子（价带空穴）浓度增大，子（价带空穴）浓度增大，电阻减小电阻减小。若气体分子的。若气体分子的电离能小于电离能小于半导体表面的电子半导体表面的电子逸出功逸出功时，则气体供给时，则气体供给半导体表面电子，形成半导体表面电子，形成正离子吸附正离子吸附，如，如H H2 2、COCO、C C2 2H H5 5OHOH及各种碳氢化合物；当及各种碳氢化合物；当n n型型半导体表面形成半导体表面形成正离子吸附正离子吸附时，多数载流子浓度增加，时，多数载流子浓度增加，电阻减小电阻减小。当。当p p型型半导体表半导体表面形成面形成正离子吸附时正离子吸附时，则多数载流子浓度减小，则

7、多数载流子浓度减小，电阻电阻增加增加。因此认为产生气敏性。因此认为产生气敏性。SnOSnO2 2系气敏元件的工作原理系气敏元件的工作原理 SnOSnO2 2与空气中电子亲和性大的气体（如与空气中电子亲和性大的气体（如O O2 2和和NONO2 2等）发生反应，形成吸附氧会束缚晶体中的电等）发生反应，形成吸附氧会束缚晶体中的电子，使子，使N N型材料的表面空间电荷层的传导电子减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。再与被测气体少，从而使器件处于高阻状态。再与被测气体（如（如H H2 2、COCO）接触时，气体与吸附氧发生反应，）接触时，气体与吸附氧发生反应，将被氧束缚的电

8、子释放出来，表面电导增加，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。使器件电阻减小。二、烧结型SnOSnO2 2气敏传感器 1 1、结构：芯片、基座和金属防暴网罩构成。、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（平均粒径其敏感体是用粒径很小（平均粒径1 1m m）的）的SnOSnO2 2粉体为基本材料，与不同的添加剂混合均匀，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。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

9、可燃的还原性气体，和使用寿命高。主要用于检测可燃的还原性气体，如氢、如氢、COCO、甲烷、乙烷、乙醇等。、甲烷、乙烷、乙醇等。直热式直热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件旁热式旁热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件三、薄膜型三、薄膜型SnOSnO2 2气敏传感器气敏传感器 1 1、结构、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（其厚度约在厚度约在100nm以下以下) )。制作方法简单。实验证明，。制作方法简单。实验证明，SnO2半导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，器件体薄膜的气敏特性最好；但这种

10、半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。间性能差异较大。四、厚膜型四、厚膜型SnOSnO2 2气敏传感器气敏传感器 这种器件是将这种器件是将SnOSnO2 2气敏材料与气敏材料与3 31515( (重量重量) )的硅的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印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刷到装有铂电极的氧化铝(Al(Al2 2O O3 3) )或氧化硅或氧化硅(SiO(SiO2 2) )等等绝缘基片上，再经绝缘基片上，再经400400800800温度烧结温度烧结1h1h制成。由制成。由于这种工艺制成的元件离散性小、机械强度高，适于这种工艺制成的元件

11、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。合大批量生产，所以是一种很有前途的器件。图图3-2-1非电阻型非电阻型( (电压控制型电压控制型) )气敏器件气敏器件 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是一。它是利用利用MOSMOS二极管的电容二极管的电容电压特电压特性的变化性的变化以及以及MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管(MOSFET)(MOSFET)的的阈值电压的变化阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。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

12、且价格便宜。利用特成化，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。定材料还可以使器件对某些气体持别敏感。7.2.4 MOSMOS二极管气敏元件二极管气敏元件 MOS MOS二极管气敏元件是在二极管气敏元件是在P P型半导体硅片上，利型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为用热氧化工艺生成一层厚度为5050100nm100nm的二氧化的二氧化硅硅(SiO(SiO2 2) )层，然后在其上面蒸发一层钯层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)(Pd)的金属的金属薄膜作为栅电极，如下图薄膜作为栅电极，如下图(a)(a)所示。由于所示。由于SiOSiO2 2层电层电容容CaCa

13、固定不变，而固定不变，而SiSi和和SiOSiO2 2界面电容界面电容C CS S是外加电压是外加电压的函数。其等效电路见下图的函数。其等效电路见下图8(b)8(b)。由等效电路可知，总电容由等效电路可知，总电容C C也也是栅偏压的函数。其函数关是栅偏压的函数。其函数关系称为该类系称为该类MOSMOS二极管的二极管的C CV V特性。由于钯对氢气特性。由于钯对氢气(H(H2 2) )特特别敏感，当钯吸附了别敏感，当钯吸附了H H2 2以后，以后，会使钯的功函数降低，导致会使钯的功函数降低，导致MOSMOS管的管的C C V V特性向负偏压特性向负偏压方向平移，如右图方向平移，如右图(c)(c)

14、所示。所示。根据这一特性就可用于测定根据这一特性就可用于测定H H2 2的浓度。的浓度。一、一、Pd-MOSFETPd-MOSFET气敏传感器气敏传感器 钯钯-MOS-MOS场效应晶体管场效应晶体管(Pd(PdMOSFET)MOSFET)的结构与普通的结构与普通MOSFETMOSFET结结构，参见下图。从图可知，它们的主要区别在于栅极构，参见下图。从图可知，它们的主要区别在于栅极(G)(G)。Pd-MOSFETPd-MOSFET的栅电极材料是钯的栅电极材料是钯(Pd)(Pd)、而普通、而普通MOSFFTMOSFFT为铝为铝(Al)(Al)。 因为因为PdPd对对H H2 2有很强的吸附性，当有

15、很强的吸附性，当H H2 2吸附在吸附在PdPd栅极上，引起栅极上，引起PdPd的功函数降低。根据的功函数降低。根据MOSFETMOSFET工作原理可知，当栅极工作原理可知，当栅极(G)(G)、源、源极极(S)(S)之间加正向偏压之间加正向偏压V VGSGS，且，且V VGSGSV VT T( (阈值电压阈值电压) )时，则栅极时，则栅极氧化层下面的硅从氧化层下面的硅从P P型变为型变为N N型。这个型。这个N N型区就将源极和漏极型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为连接起来，形成导电通道，即为N N型沟道，型沟道，MOSFETMOSFET进入工作进入工作状态。若此时，在源状态。若此

16、时，在源(S)(S)漏漏(D)(D)极之间加电压极之间加电压V VDSDS，则源极和，则源极和漏极之间有电流漏极之间有电流( (I IDSDS) )流过。流过。I IDSDS随随V VDSDS和和V VGSGS 的大小而变化，的大小而变化，其变化规律即为其变化规律即为MOSFETMOSFET的的V V- -A A特性。当特性。当V VGSGSV VT T时，时，MOSFETMOSFET的的沟道未形成故无漏源电流。沟道未形成故无漏源电流。V VT T的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与金属和半导体之间的功函数有关。金属和半导体之间的功函数有关。Pd-MOS

17、FETPd-MOSFET气气敏器件就是利用敏器件就是利用H H2 2在钯栅极上吸附后引起阈值在钯栅极上吸附后引起阈值电压电压V VT T下降这一特性来检测下降这一特性来检测H H2 2的。由于这类器件的。由于这类器件特性尚不够稳定，只能作特性尚不够稳定，只能作H H2 2的泄漏检测。的泄漏检测。 Pd-MOSFETPd-MOSFET气敏传感器的气敏传感器的应用应用二、固体电解质气敏传感器二、固体电解质气敏传感器1 1、结构：主要由电解质管、内外铂电极、排气孔和加热器、结构：主要由电解质管、内外铂电极、排气孔和加热器等组成。等组成。2 2、工作原理（控制空燃比的、工作原理（控制空燃比的ZrOZr

18、O2 2传感器）传感器） ZrOZrO2 2电解质在高温状态时，当多孔铂电极两侧电解质在高温状态时，当多孔铂电极两侧 氧浓度不氧浓度不同时，便会出现高浓度侧氧通过固体中的氧空位以同时，便会出现高浓度侧氧通过固体中的氧空位以O O2-2-离离子状态向低浓度一侧迁移，从而形成氧离子电导，使稳定子状态向低浓度一侧迁移，从而形成氧离子电导，使稳定的的ZrOZrO2 2显示出氧离子导电特性。这样在固体电解质两侧电显示出氧离子导电特性。这样在固体电解质两侧电极上产生氧浓度差电势，形成一种浓差电池结构。当空燃极上产生氧浓度差电势，形成一种浓差电池结构。当空燃比（比（可燃混合气中空气质量与燃料质量之比为空燃比

19、可燃混合气中空气质量与燃料质量之比为空燃比）接）接近理论值时，铂电极表面从近理论值时，铂电极表面从O O2 2与与COCO完全进行化学反应（完全进行化学反应（COCO过剩，过剩，O O2 2为零）的状态急剧变化为为零）的状态急剧变化为O O2 2过剩，过剩，COCO为零的状态，为零的状态，电解质两边氧浓度之比急剧变化，电动势也急剧变化，达电解质两边氧浓度之比急剧变化，电动势也急剧变化，达到了检测的目的。到了检测的目的。三、接触燃烧式气体传感器三、接触燃烧式气体传感器 1 1、结构：管芯、支架、引脚组成。、结构：管芯、支架、引脚组成。 2 2、原理：敏感材料铂丝遇到空气中的可燃气体时，由、原理：

20、敏感材料铂丝遇到空气中的可燃气体时，由于可燃气体与氧发生氧化反应，产生反应热，使铂丝于可燃气体与氧发生氧化反应，产生反应热，使铂丝温度升高，具有正温度系数的铂丝电阻会相应增大，温度升高，具有正温度系数的铂丝电阻会相应增大，而铂丝电阻值的增大量与可燃气体的浓度成正比。这而铂丝电阻值的增大量与可燃气体的浓度成正比。这样只要测出铂丝的电阻增大量就能检测出空气中的可样只要测出铂丝的电阻增大量就能检测出空气中的可燃气体浓度。燃气体浓度。 可以检测常见的可燃气体，如可以检测常见的可燃气体，如H H2 2、COCO、CHCH4 4、丙酮、丙、丙酮、丙烷等。在低温度时，输出信号与可燃气体的浓度之间烷等。在低温

21、度时，输出信号与可燃气体的浓度之间具有良好的线性关系，而不受空气中水蒸气的影响。具有良好的线性关系，而不受空气中水蒸气的影响。气敏传感器的主要参数和特性气敏传感器的主要参数和特性 1 1、灵敏度灵敏度(S)(S)：气敏元件对大气的敏感程度：气敏元件对大气的敏感程度 2 2、响应时间响应时间：指从气敏元件与被测气体接触，到气：指从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的参数达到新的稳定状态所需要的时间。表示敏元件的参数达到新的稳定状态所需要的时间。表示气敏元件的反应速度。气敏元件的反应速度。 3 3、选择性选择性：在多种气体共存的环境中，气敏元件对：在多种气体共存的环境中，气敏元件对不同的气体有不同的灵敏度，这种区分不同气体的能不同的气体有不同的灵敏度，这种区分不同气体的能力称为选择性。力称为选择性。 4 4、稳定性稳定性：当检测的气体浓度不变时，气敏元件的：当检测的气体浓度不变时，气敏元件的输出也应保持不变，但实际情况会受其他条件的变化输出也应保持不变，但实际情况会受其他条件的变化影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元件的