電化學(xué)氣體傳感器ppt課件

.,第14章氣體傳感器,.,14氣體傳感器,14.1概述氣體傳感器是將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。氣體傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，按構(gòu)成氣體傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣體傳感器。,.,半導(dǎo)體氣體傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型。表面控制型：半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；體控制型：半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。,14.2半導(dǎo)體氣體傳感器。,.,按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。,14.2半導(dǎo)體氣體傳感器。,.,14.2.1半導(dǎo)體氣體傳感器的機(jī)理半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱悾鼈儽环Q為還原型氣體或電子供給性氣體。,.,當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使半導(dǎo)體電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。,.,圖14-1N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖,.,14.2.2半導(dǎo)體氣體傳感器類型及結(jié)構(gòu)1.電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。,圖14-2半導(dǎo)體氣體傳感器的敏感元件(a)燒結(jié)型元件；(b)薄膜型元件,.,(c)厚膜型元件,.,10,燒結(jié)型SnO2氣敏元件其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。,.,11,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一般為3040,.,2.非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣體傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容電壓特性的變化以及MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使器件對(duì)某些氣體特別敏感。,.,(1)MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖14-5(a)所示。,圖14-5MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)C-U特性,.,(2)MOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件鈀-MOS場效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET)的結(jié)構(gòu)，參見圖14-6。,圖14-6鈀MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu),：常數(shù)UG：柵壓UT：ID是流過時(shí)的最小臨界電壓值,漏極電流：,在鈀MOS場效應(yīng)管中，UT會(huì)隨空氣中所含氫氣濃度的增高而降低。,.,15,14.3半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)（1）氣敏元件的電阻值將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在(103105)范圍。測定固有電阻值時(shí),要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對(duì)于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測量。,.,16,（2）氣敏元件的靈敏度表征氣敏元件對(duì)于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種,（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1氣敏元件在濃度為C1的被測氣體中的阻值：R2氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出,Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值；Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值,.,17,（4）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間表示在工作溫度下，氣敏元件對(duì)被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)tr表示。,（3）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對(duì)被測氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為,Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓Vgi氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓,.,18,（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于20。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用表示。一般在(0.52.0)W范圍。,（6）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時(shí)開始計(jì)時(shí),直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時(shí)所需時(shí)間。,.,19,（7）初期穩(wěn)定時(shí)間長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài),需要一定的時(shí)間,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時(shí)間。一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間,稱為初期穩(wěn)定時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長,其初期穩(wěn)定時(shí)間也越長。在一般條件下,氣敏元件存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。,.,14.3氣體傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體氣體傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。按