第9章 气、湿敏传感器.pptVIP

第9章 气、湿敏传感器 9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 思考题与习题 9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件 气敏元件按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体表面,还是涉及到内部,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特性,又可分为电阻式和非电阻式,如表9.1所示。 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式半导体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变化,来对气体进行直接或间接的检测。 气敏元件不管其种类、应用范围如何,至少都必须具备如下条件： 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 响应重复特性良好。 ⑤ 选择性好,即对与被测气体共存的其它气体不敏感。 ⑥ 对周围环境（如温度、湿度）的依赖性小。 ⑦ 性能长期稳定,结构比较简单。 9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件 1. 结构 通常,气敏传感器主要由如下三部分组成： ① 气体敏感元件。 ② 对敏感元件进行加热的加热器。 ③ 支持上述部件的封装部分。 图9.1示出了一个有代表性的气敏传感器的整体结构。 气敏元件是气敏传感器的核心,有三种结构类型——烧结体型、薄膜型和厚膜型,如图9.2所示。其中,图9.2(a)所示的多孔质烧结体型气敏元件,是把电极和元件加热用的加热器埋入金属氧化物中,添加Al2O3、SiO2等催化剂和粘结剂,通电加热或加压成型后再低温烧结而成。这类元件的性能一致性较差。图9.2（b）所示是薄膜型气敏元件。这类元件是在绝缘衬底（如石英基片）上蒸发或溅射上一层氧化物半导体薄膜（厚度小于几微米）制成的,其性能受到工艺条件以及薄膜的物理、化学状态的影响,元件间性能差异较大。但由于近期薄膜技术的飞速发展和以微细加工为中心的半导体技术的影响,这类元件性能已有了新的改观。 图9.2(c)所示是厚膜型气敏元件。这类元件一般是把半导体氧化物粉末、添加剂、粘合剂及载体混合成浆料,再把浆料印刷（丝网印刷）到基片上（厚度数微米到数十微米）制成的,其灵敏度与烧结体型的相当,工艺性、机械强度和性能的一致性都很好。 上述气敏元件的加热器是用来烧去附在元件表面的油雾与尘埃,加速气体的吸附,从而提高元件的灵敏度和响应速度。元件的工作加热温度取决于氧化物材料及被测气体的种类,一般在200～400 ℃。 2. 工作原理 当气体吸附到半导体气敏元件表面时,元件的电阻（或电导率）会发生变化。即气敏元件被加热到稳定状态后,被检测的气体接触元件的表面而被吸附,吸附分子在元件的表面上自由扩散（物理吸附）,失去其运动能量。一部分气体分子被蒸发；另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。这时,如果N型半导体的功函数（功函数：标志着电子从半导体中逸出的能量的大小。功函数越大,电子越不容易从半导体中逸出）大于气体吸附分子的离解能,气体的吸附分子将向半导体释放出电子,而成为正离子吸附（带正电荷）。供给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷中的少数电荷——空穴。因此,在导带上参与导电的自由电子的复合率减少,从而表现出自由电子数增加,半导体元件的阻值减小。 具有这种正离子吸附的气体称为还原性气体,如H2、CO、碳氢化合物和酒类等。如果半导体的功函数小于气体吸附分子的亲和力,则吸附分子将从半导体夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附的气体称为氧化性气体,如O2、NOx等。负离子吸附的气体因为夺取了半导体的电子,而将空穴交给半导体,使导带的自由电子数目减少,因此元件的电阻值增大。 这个工作原理可用图9.3所示的流程加以说明。 图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值变化情况。由于空气中的氧分压大体上是恒定的,因此氧的吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时,如果被测气体流入这种气氛中,元件表面将产生吸附作用,元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化,通过测量电路（如电桥电路）就可测出其浓度。对于P型半导体气敏元件,情况则相反,氧化性气体使其电阻减小,还原性气体使其电阻增大。 3. 元件材料 ? 1） 氧化锡（SnO2）系 SnO2是具有比较高的电导率的N型金属氧化物半导体。氧化锡系多孔质烧结体型气敏元件,是目前广泛应用的一种元件。它是用氯化锡和氧化锡粉末在700～900℃下烧结而成的。 元件中添加了铂（Pt）和钯（Pd）等作为催化剂,以提高其灵敏度与气体识别能力（选择性）。添加剂的成分与含量、元件的烧结温度和工作温度将影响元件的选择性。如在同一工作温度下,