半导体气体传感器简介2010.03.05

半导体气体传感器简介主讲：祁明锋安全环保健康传感器的基本概念半导体气体传感器炜盛半导体气体传感器简介费加罗半导体气体传感器简介新型半导体气体传感器简介目录传感器的基本概念半导体气体传感器炜盛半导体气体传感器简介费加罗半导体气体传感器简介新型半导体气体传感器简介目录1、什么是传感器？

能够采集信息并把采集到的信息转化为人们更易识别的信号（如电号、声信号、光信号、数字信号等），凡是具有这种功能的部件或装置，统称为传感器。2、什么是气体传感器？

能够采集气体的某些信息（如：浓度、种类）并把采集到的信息转化为人们更易识别的信号（如电信号、声信号、光信号、数字信号等）,凡是具有这种功能的部件或装置，就是气体传感器。一、传感器基本概念气体传感器分类：化学类气体传感器:半导体气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器，热线气体传感器等。物理类气体传感器:光电传感器、热电传感器、压电传感器、磁电传感器、气电传感器、波式和射线射线传感器等。3、气体传感器的分类灵敏度：元件在规定的工作条件下，其在一定的气体浓度下的输出（电压、电流、电阻等，下同）与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值。响应时间：传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值的规定的百分比（一般为70%或90%）时所需的时间。选择性：指传感器对气体种类的识别能力。稳定性：在规定的工作条件下和一定的工作周期内，传感器的输出变化不超过允许误差的能力。线性度：传感器的实际输出值曲线与某一规定直线的偏离程度。初始稳定特性：传感器在存放后重新开始工作时初始输出达到稳定的时间。寿命：在一定的工作条件下，传感器的输出变化超过允许误差的时间。零点：传感器在洁净空气或参比气体中在规定工作条件下的输出值。灵敏度漂移：传感器在规定的工作条件下其灵敏度的变化。分辩率：传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。12爆炸下限：可燃性气体、蒸气或粉尘与空气组成的混合物能使火焰传播的最低浓度称为该气体或蒸气的爆炸下限。ppm：百万分之一。ppb：十亿分之一。mg/m3转换为ppm：1mg/m3=(22.4/M)*(273+t)/273ppmM：相对分子量，t：环境温度（℃）4、气体传感器常用术语3选择性：指传感器对气体种类的识别能力。在完全未知的气体环境中（即完全不知道环境中有哪几种气体）传感器不能告诉人们探测到的是什么气体，即半导体式的气体传感器不具有本质的选择性；在已知的气体环境里（即人们知道要探测环境里存在哪些气体）可实现相对的选择性探测。如GB15322规定，可燃性气体探测器在1000ppm乙醇蒸气中浸泡10分钟不得发出警报信号，即是基于在家庭环境最常见的干扰气体就是乙醇。初始稳定特性：传感器出厂之前都要通过较长时间的老化以使其各项性能趋于稳定。老化后的传感器在经过冷置以后，无论时间长短，在上机调试前，都必须经过一定时间（一般在几十分钟到48小时不等）的老化预热，传感器的各项性能才会重新稳定下来。经过冷置存放后的传感器，通电瞬间传感器敏感体的电阻会急剧下降，后逐渐变大至稳定，整个过程所需要的时间取决于存放环境以及冷置时间的长短，在洁净环境中存放时间不超过10天时初始稳定时间会在30分钟以内，其它情况下应不少于48小时。功耗：半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度，器件的功耗与敏感材料、元件结构及所要检测的气体种类密切相关。一般情况下旁热式元件的功耗会大一些（管式元件约750-900mW，平面元件不超过400mW），直热式元件（除三氧化二铁元件外）及自加热元件功耗要小一些（一般小于250mW）。功耗对便携式仪器来讲是一个重要指标。不同结构的半导体气敏器件的差异：旁热式元件有更好的稳定性，敏感体材料与引线接触的更紧密，信号不交叉，但功耗大；直热式元件体积小，功耗小，但是，敏感体材料易与引线接触不良，加热与测试信号易交叉，因此，稳定性次于旁热式元件；自加热元件体积小，功耗低，使用方便，稳定性较差。传感器的基本概念半导体气体传感器炜盛半导体气体传感器简介费加罗半导体气体传感器简介新型半导体气体传感器简介目录二、半导体气体传感器1、半导体气体传感器的起源

半导体气敏材料的发展可追溯到1931年，P.Braver等发现CuO的电导率随水蒸气的吸附而改变。1948年J.Gray发现CuO2薄膜在200度左右存在气敏性，而200度以下却没有。1962年日本清山哲郎与田口尚义等对ZnO、SnO2薄膜的开创性研究，使气敏材料和传感器才真正发展起来。

2、半导体气体传感器的工作原理

金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动（见图1）在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低(见图2）导致传感器的阻值减小。图1-晶粒间势垒模型（洁净空气）图2-晶粒间势垒模型（还原性气体出现时）3、气体传感器的应用领域

家用气体报警器●检测有害气体●净化空气质量●创造舒适环境硅基微热板式气体传感器传统的陶瓷管烧结型气体传感器Al2O3基气体传感器QCM气体传感器SAW气体传感器陶瓷管式传感器结构图直热式传感器结构图自加热式传感器结构图微珠式传感器结构图厚膜平面式传感器结构图MEMS半导体气体传感器结构图微型气体传感器芯片基于阵列的智能气体传感器（CO、H2S、NO2、酒精、可燃气体等）封装后的气体传感器阵列智能CO气体传感器智能气体传感器4、半导体传感器的典型结构当加热器与半导体材料为隔离状态时，这一类结构的传感器就是旁热式气体传感器，旁热式又可分为管状旁热式和平面旁热式两种；当加热器与半导体材料直接接触时，这一类结构的传感器即为直热式气体传感器；不需要附加加热器的传感器就是自加热式气体传感器。图3（a）管状旁热式图3（b）直热式图3（c）常温式图3(d）平面旁热式半导体传感器的设计依据5、半导体元件的气敏特性A、初始恢复特性生产老化一般为10天；使用前老化一般在几十分钟到48小时不等经过冷置存放后的传感器，通电瞬间传感器敏感体的电阻会急剧下降，后逐渐变大至稳定过程所需要的时间取决于存放环境以及冷置时间的长短

图4半导体元件初始恢复特性曲线MQ-4甲烷灵敏度特性图5旁热式元件的灵敏度曲线MQ-4甲烷响应恢复曲线图6旁热式元件的响应恢复曲线

图7旁热式元件长期稳定性曲线

图8旁热式元件温湿度特性曲线B、响应、恢复特性与稳定性6、

半导体气体传感器的应用特点适用领域：工业、家用领域中爆炸下限内气体的半定量、定性检测；灵敏度：输出信号较大，一般以“V”为单位相应恢复特性：一般响应时间小于10s，恢复时间小于30s；选择性：不具有本质的选择性，只可显示差异；功耗：半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度，器件的功耗与敏感材料、元件结构及所要检测的气体种类密切相关。常规旁热式元件的功耗约750-850mw，平面半导体元件200-450mw,直热式元件及常温元件功耗一般小于250mw；线性:浓度与灵敏度呈指数关系，会出现饱和现象。稳定性:环境氧浓度的变化、水对表面活性位的占据、环境温度的变化、干扰气体的影响、传感器敏感材料本身物理性质（颗粒）的变化等都会引起传感器特性的变化。寿命：寿命一般会超过5年，除机械性损伤造成的传感器失效外；7、半导体气体传感器使用注意事项

必须避免的情况1.1暴露于有机硅蒸气中：如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。1.2高腐蚀性的环境：传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体（如H2S，SOX，Cl2，HCl等）中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。1.3碱、碱金属盐、卤素的污染：传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。1.4接触到水：溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。1.5结冰：水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。1.6施加电压过高：如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值，即使传感器没有受到物理损坏或破坏，也会造成引线和/或加热器损坏，并引起传感器敏感特性下降。1.7电压加错管脚尽可能避免的情况凝结水：在室内使用，轻微凝结水对传感器性能会产生轻微影响。但是如水凝结在敏感元件表面并保持一段时间，传感器特性则会下降。处于高浓度气体中：无论传感器是否通电，在高浓度气体中长期放置，都会影响传感器特性。长期贮存：传感器在不通电情况下长时间贮存，其电阻会产生可逆性漂移，这种漂移与贮存环境有关。传感器应贮存在有清洁空气不含硅胶的密封袋中。经长期不通电贮存的传感器，在使用前需要长时间通电以使其达到稳定。长期暴露在极端环境中：无论传感器是否通电，长时间暴露在极端条件下，如高湿、高温、或高污染等极端条件，传感器性能将受到严重影响。振动：频繁、过度振动会导致敏感元件引线产生共振而断裂。在运输途中及组装线上使用气动改锥/超声波焊接机会产生这种振动。冲击：如果传感器受到强烈冲击会导致其引线断线。使用：对传感器来说手工焊接是最理想的焊接方式。使用波峰焊是应满足以下条件：助焊剂：含氯最少的松香助焊剂速度：1-2米/分钟预热温度：100±20℃焊接温度：250±10℃1次通过波峰焊机

半导体与接触燃烧传感器的对比

半导体与接触燃烧传感器的对比传感器的基本概念半导体气体传感器炜盛半导体气体传感器简介费加罗半导体气体传感器简介新型半导体气体传感器简介目录平面半导体传感器

-10℃48.1%RH0℃43.0%RH25℃72.7%RH50℃85.2%RH70℃87.2%RHV0TGS26110.27750.3260.4960.5820.682MP-40.2650.308330.5076670.4603330.604VSTGS26111.65652.26152.6652.8943.0715MP-42.4206672.5216672.836672.9166673.091667从高低温曲线上看，MP-4比TGS2611低温性能更好，低温下仍能保证整机在正常检测范围内报警。MP-4气敏元件抗干扰性气体浓度（ppm）5001000200030004000500060007000CH4

3.5115193.5464813.593963酒精

1.4677781.7671112.0055192.1486672.276074

乙酸1.0821851.249667

MP-4元件抗干扰性气体浓度（ppm）输出电压（V）5000ppm甲烷可抗5000ppm酒精、1000ppm乙酸，符合中国住房和城乡建设燃气报警器标准。MP-4元件长期稳定性观测时间MP-4元件长期稳定性曲线输出电压（V）上图为2008年11月份留样长期通电状态下测得的数据曲线，元件稳定性非常好。MP-3B元件与MQ-3S对比高低温曲线（5.0V测试)MQ-3S&MP-3B高低温曲线125ppm输出电压（V）MP-3B元件湿度曲线（2.5V测试）MP-3B元件冷置恢复特性

（AT6000整机长期测试结果单位g/L）日期2010.5.62010.5.112010.5.132010.5.242010.6.22010.6.92010.6.232010.7.9温湿度25.4℃26.2%RH25.2℃37.7%RH

27.4℃60%RH27.1℃52%RH26.5℃56%RH27℃51%RH28.4℃64%RH1#0.520.460.540.720.680.560.720.640.60.480.480.460.580.540.540.560.50.50.50.480.482#0.60.50.620.620.620.50.50.480.50.420.420.420.440.460.440.460.440.420.440.440.443#0.60.50.580.720.640.50.640.50.460.440.420.40.50.460.440.480.440.420.420.440.464#0.560.50.580.70.660.520.70.640.60.460.480.460.580.520.460.540.480.460.480.480.485#0.50.4600.70.5故障显0，小板上加热器引脚焊盘脱落0.460.460.420.50.440.440.480.440.420.440.420.426#0.620.520.50.620.680.50.540.50.50.40.40.40.440.440.460.440.440.460.420.420.447#0.640.60.640.70.740.50.580.580.480.420.420.420.460.460.480.460.420.460.460.460.488#0.560.50.460.560.60.480.50.50.460.40.40.360.440.420.440.420.440.420.420.420.449#0.560.520.520.640.640.520.70.70.640.50.480.460.560.560.520.560.520.50.50.50.510#0.520.4800.640.540.480.60.60.480.460.440.440.480.460.440.460.460.440.480.480.46AT6000使用时检测范围0.4g/L-0.7g/LMP-3B元件冷置恢复代表性数据（冷置22天后125ppm酒精连续测试10次）

1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次30sV00.4146670.42090.43070.41570.52180.41810.27350.36630.43650.405950sV00.357250.37530.39310.37650.47190.38270.25110.34130.41530.366870sVS1.4831.50231.51391.54211.63261.51211.35541.45711.56741.4846MP135元件应用情况

目前，MP135元件应用的客户群主要有两大类：一类以室内空气清新机为主，测试室内空气质量，实际标定多以酒精为主，此类检测并不要求非常精确，检测两个或三个固定点即可达到使用要求；另外一类以测试可燃气体和乙醚气体为主（主要为汉威客户），整机出口国外客户，主要用于房车中监控燃气泄露及防盗（乙醚为麻醉气体），对整机要求精度较高。

MP135属广谱型元件，使用过程中元件易受杂质气体影响造成零点漂移，故须在电路设计中选择适当的负载电阻匹配，以保证元件长期使用时零点漂移而造成电路故障。MP-135气敏元件与TGS2600元件对比高低温数据型号-10℃40.3%RH0℃36.3%RH25℃81.5%RH50℃84.0%RHV0TGS26000.183250.23250.650750.38MP1350.30750.385750.9860.649VS(50ppmH2)TGS26000.725750.644751.15151.16775MP1350.9350.97951.726751.7125MP135元件线性曲线MP135元件测试气体种类及灵敏度气体浓度（ppm）输出电压（V）传感器的基本概念半导体气体传感器炜盛半导体气体传感器简介费加罗半导体气体传感器简介新型半导体气体传感器简介目录TGS2000系列传感器素子结构21XX单面单素子22XX单面双素子26XX双面单素子24XX多层单素子TGS传感器一览（1）TGS传感器一览（2）TGS传感器一览（3）TGS传感器一览（4）TGS传感器一览（5）检知原理-1清洁空气氧化铝基体加热器氧化锡电池O2O2O2eee电子粒界电子显微镜照片(×400)空气中检知原理-2还原性气体在还原性气体存在下粒界电子燃气泄漏O2O2O2氧化铝基体加热器氧化锡电池eee放置后再通电的动作A：通电状态下的稳定区间B：不通电放置区间C：再通电过渡区间需绝对避免事项含硅气氛中使用传感器附近使用含硅的粘结剂、发胶、橡胶、腻子等，硅会吸附在传感器表面，影响传感器特性。有机溶剂气氛保管在醇类、酮类、挥发油类气氛下保管，因杂质气体在传感器表面吸附，影响传感器特性。长期保管需使用不发生杂质气体的包装材料密闭保管。碱金属污染碱金属污染（特别是盐水喷雾）会使传感器特性发生很大变化。原则上，其他无机元素污染的影响也同样。溅水传感器浸水、溅水，都会影响传感器特性。冻结传感器表面结冰的话，会导致表面出现裂缝。过电压在传感器上施加额定以上的电压（回路电压或加热丝电压）的话会造成断线。即使还没到断线的程度也会影响到传感器特性。所以，即使有一次过电压的经历，这只传感器也不能再使用。要求注意事项结露水分在传感器表面存留的状态长期持续时，传感器特性会发生变化。但在室内安装状态下，轻微结露没有问题。长期保存不通电状态下在大气中长期保存，传感器的电阻升高。通电后阻值会恢复到原来的水平。长期保存应使用无臭味、不发生气体的材料封装保存。高温高湿状态下的保存在极端高温高湿状态下长期保存时，会对传感器特性产生影响。振动的影响生产中使用风动（或电动）改锥时，传感器引线的共振可能导致断线。量产中使用风动改锥需先做试验确认。冲击的影响从1m高度落到水泥等硬地面上后可能发生断线。即使还没断线，经跌落等冲击的传感器最好不要再使用。助焊剂的影响使用焊槽在基板上焊接时，发出的高浓度助焊剂会影响传感器特性。因此最好用手焊。（想在量产中使用焊槽的话，需先做试验确认。）长期稳定性只有季节周期波动，没有单调变化。敏感材料加热丝电极TGS８

型传感器结构TGS813特性曲线26结构TGS2611（天然气用）

1994年开始开发

1995年投放市场，2002年度销售了286万只，2002年底累计销售了938万只

26传感器的特点：１）应用厚膜印刷技术，特性均一性强２）采用自动机组装，便于大量生产３）小型化（1.5mm见方），低功耗４）电极线为Pt/W线，机械强度高

26传感器的用途：

1）燃气报警器等保安用途

2）空气清洁机、空调等的空气质量用途

3）酒精检测、氢气检测、氟利昂检测等用途２６系列传感器概要MS／点付（手动）工艺MS（弱溶接）点付底座溶接AUB工艺金键合底座溶接AUB自动机生产涂防锈涂料压帽芯片26传感器的两种平行制造工艺节省部材自动化节省人工