第七章新型氣體傳感器及陣列課件

1、第七章第七章 新型氣體傳感器及陣列新型氣體傳感器及陣列7.1 7.1 概概 述述7.2 7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理氣體傳感器敏感機(jī)理7.3 7.3 新型氣體傳感器及陣列新型氣體傳感器及陣列目目 錄錄領(lǐng)域前沿領(lǐng)域前沿科研思路科研思路基礎(chǔ)基礎(chǔ)加深概念加深概念7.1 概 述7.1.17.1.1氣體傳感器基本概念氣體傳感器基本概念7.1.2 7.1.2 氣體傳感器的分類氣體傳感器的分類7.1.1 氣體傳感器基本概念氣體傳感器：是指能將被測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為是指能將被測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。 體積小體積小靈敏度高靈敏度高攜帶方便攜帶方便智能程

2、度高智能程度高可遠(yuǎn)距離探測(cè)可遠(yuǎn)距離探測(cè) 7.1.1 氣體傳感器基本概念氣體傳感器必須滿足下列條件：氣體傳感器必須滿足下列條件：u 能夠檢測(cè)爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其它基準(zhǔn)設(shè)定濃度；并能及時(shí)給出報(bào)警、顯示和控制信號(hào)；ppm：parts per million1ppm=1mg/kg=1mg/L =110-6 1ppb= 110-9 7.1.1 氣體傳感器基本概念氣體傳感器必須滿足下列條件：氣體傳感器必須滿足下列條件：u 對(duì)被測(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感； u 性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；u 響應(yīng)迅速、重復(fù)性好；u 維護(hù)方便、價(jià)格便宜等。交叉敏問(wèn)題交叉敏問(wèn)題電子鼻電子鼻標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的TO-5

3、TO-5金屬封裝金屬封裝封裝封裝氧氣、水汽、灰塵等影響氧氣、水汽、灰塵等影響7.1.2 氣體傳感器的分類氣敏元件氣敏元件干干式式濕濕式式半半導(dǎo)導(dǎo)體體式式半導(dǎo)體陶瓷型半導(dǎo)體陶瓷型厚膜型厚膜型薄膜和微粒子型薄膜和微粒子型固體電介質(zhì)式固體電介質(zhì)式（ZrO2）紅外線吸收式紅外線吸收式導(dǎo)熱率變化式（熱線，熱敏電阻）導(dǎo)熱率變化式（熱線，熱敏電阻）以固定電位電解式為代表以固定電位電解式為代表（極譜式，原電池式）（極譜式，原電池式）接觸燃燒式接觸燃燒式基于強(qiáng)催化劑使氣體在傳感器表面燃基于強(qiáng)催化劑使氣體在傳感器表面燃燒產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，導(dǎo)燒產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，導(dǎo)致貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化。致貴金

4、屬電極電導(dǎo)隨之變化。 當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收，通過(guò)光強(qiáng)的外光有吸收，通過(guò)光強(qiáng)的變化測(cè)試氣體濃度變化測(cè)試氣體濃度一種以離子導(dǎo)體為一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池電解質(zhì)的化學(xué)電池 7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理從材料設(shè)計(jì)的角度揭示決定傳感器性能的三個(gè)關(guān)鍵因素：從材料設(shè)計(jì)的角度揭示決定傳感器性能的三個(gè)關(guān)鍵因素：l 識(shí)別功能識(shí)別功能待測(cè)氣體在敏感材料表面上的反應(yīng)或吸附待測(cè)氣體在敏感材料表面上的反應(yīng)或吸附 比表面積、氧化活性、表面酸堿度等比表面積、氧化活性、表面酸堿度等 l 轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換功能化學(xué)量向電學(xué)量（電阻）的轉(zhuǎn)換能力化學(xué)量

5、向電學(xué)量（電阻）的轉(zhuǎn)換能力敏感材料的遷移率、晶粒尺寸等敏感材料的遷移率、晶粒尺寸等 l敏感體的利用效率敏感體的利用效率 在待測(cè)氣氛中敏感體電阻在待測(cè)氣氛中敏感體電阻 變化部分占整個(gè)敏感體的比率變化部分占整個(gè)敏感體的比率 敏感材料的多孔性、催化活性及待測(cè)氣體的敏感材料的多孔性、催化活性及待測(cè)氣體的擴(kuò)散系數(shù)等擴(kuò)散系數(shù)等 國(guó)際著名傳感器專家國(guó)際著名傳感器專家N. Yamazoe建立的氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的理論框架建立的氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的理論框架 v半導(dǎo)體氣體傳感器四種模式的氣敏機(jī)理半導(dǎo)體氣體傳感器四種模式的氣敏機(jī)理整體原子價(jià)控制理論整體原子價(jià)控制理論能級(jí)生成理論能級(jí)生成理論表面電荷層理論表面

6、電荷層理論1.接觸粒界勢(shì)壘理論接觸粒界勢(shì)壘理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理 若元件材料的功函數(shù)比被吸氣體分子的電子親和力為小時(shí)，若元件材料的功函數(shù)比被吸氣體分子的電子親和力為小時(shí)，則被吸氣體分子就會(huì)從元件表面則被吸氣體分子就會(huì)從元件表面奪取電子奪取電子而以而以陰離子形式陰離子形式吸附。吸附。具有這種性質(zhì)的氣體稱為具有這種性質(zhì)的氣體稱為氧化性氣體氧化性氣體，例如，例如，O O2 2，NOxNOx等等。 若氣敏元件材料的功函數(shù)大于被吸附氣體的離子化能量，被若氣敏元件材料的功函數(shù)大于被吸附氣體的離子化能量，被吸氣體將把吸氣體將把電子給予元件電子給予元件而以而以陽(yáng)離子形式陽(yáng)離子形式吸附。具有陽(yáng)離子吸吸附

7、。具有陽(yáng)離子吸附性質(zhì)的氣體稱為附性質(zhì)的氣體稱為還原性氣體還原性氣體，如，如H H2 2，CO, HCCO, HC和乙醇等。和乙醇等。7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理1. 整體原子價(jià)控制理論整體原子價(jià)控制理論v本理論適用于鈣鈦礦型原子本理論適用于鈣鈦礦型原子價(jià)控制復(fù)合氧化物；價(jià)控制復(fù)合氧化物；v用用ABOABO3 3一般式來(lái)表示鈦礦型一般式來(lái)表示鈦礦型氧化物，其導(dǎo)電過(guò)程是通過(guò)氧化物，其導(dǎo)電過(guò)程是通過(guò)B B元素與氧組成的三維網(wǎng)孔狀元素與氧組成的三維網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行的；結(jié)構(gòu)進(jìn)行的；v氣體的離解作用可以把網(wǎng)狀氣體的離解作用可以把網(wǎng)狀構(gòu)造的某一部分切斷，一旦構(gòu)造的某一部分切斷，一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，復(fù)合氧化物發(fā)生這

8、種現(xiàn)象，復(fù)合氧化物的電阻值將顯著增加。的電阻值將顯著增加。BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)示意圖的晶體結(jié)構(gòu)示意圖 7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理1. 整體原子價(jià)控制理論整體原子價(jià)控制理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理鐵酸鹽復(fù)合氧化物（鐵酸鹽復(fù)合氧化物（P-MFe2O4）的氣敏機(jī)理模型）的氣敏機(jī)理模型原始態(tài)原始態(tài)P P型型-MFe-MFe2 2O O4 4吸附氧吸附氧吸附氧俘獲電子，表層空穴吸附氧俘獲電子，表層空穴濃度進(jìn)一步增加，表面層電濃度進(jìn)一步增加，表面層電阻下降阻下降Fe3+Fe2+還原性氣體還原性氣體表面表面FeFe3+3+被還原成被還原成FeFe2+2+，由于還，由于還原性氣體的離解作用，使晶體原性氣體

9、的離解作用，使晶體結(jié)構(gòu)中的電價(jià)配置和缺陷發(fā)生結(jié)構(gòu)中的電價(jià)配置和缺陷發(fā)生變化，導(dǎo)電的三維網(wǎng)絡(luò)某一部變化，導(dǎo)電的三維網(wǎng)絡(luò)某一部分被切斷，電阻升高分被切斷，電阻升高2. 2. 能級(jí)生成理論能級(jí)生成理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（SnO2、ZnO等等）還原性氣體還原性氣體氧化性氣體氧化性氣體給電子給電子束縛空穴束縛空穴R給空穴給空穴減少導(dǎo)帶電子數(shù)減少導(dǎo)帶電子數(shù)R3. 3. 表面電荷層理論表面電荷層理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理 在金屬氧化物表面上，由于表面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性或晶格缺陷，在吸附在金屬氧化物表面上，由于表面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性或晶格缺陷，在吸附不同種類的氣體之后，將形成不同形式

10、的不同種類的氣體之后，將形成不同形式的表面能級(jí)空間電荷層表面能級(jí)空間電荷層。 從化學(xué)鍵模型角度，表面能級(jí)起源于表面原子朝外方向具有不飽和的價(jià)從化學(xué)鍵模型角度，表面能級(jí)起源于表面原子朝外方向具有不飽和的價(jià)鍵，稱為懸掛鍵。這些懸掛鍵可鍵，稱為懸掛鍵。這些懸掛鍵可提供電子或吸收電子提供電子或吸收電子，相當(dāng)于半導(dǎo)體中的施，相當(dāng)于半導(dǎo)體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 EF表面能級(jí)表面能級(jí)氧化性氣體：氧化性氣體：陰離子陰離子吸附吸附氣體分子氣體分子吸取電子吸取電子EF表面能級(jí)表面能級(jí)還原性氣體：還原性氣體：氣體分子氣體分子提供電子提供電子電荷層電導(dǎo)率電荷層電導(dǎo)率陽(yáng)離子陽(yáng)離子吸附吸附電荷層電導(dǎo)率

11、電荷層電導(dǎo)率4. 4. 接觸粒界勢(shì)壘理論接觸粒界勢(shì)壘理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理v根據(jù)多晶半導(dǎo)體能帶模型而提出根據(jù)多晶半導(dǎo)體能帶模型而提出多晶硅薄膜多晶硅薄膜SEMSEM圖圖價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒晶粒界面：界面勢(shì)壘晶粒界面：界面勢(shì)壘N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體4. 4. 接觸粒界勢(shì)壘理論接觸粒界勢(shì)壘理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面氧化性氣體氧化性氣體吸取電子吸取電子半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面電子接受型電子接受型氣體：氣體：O2導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶N型

12、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+勢(shì)壘勢(shì)壘4. 4. 接觸粒界勢(shì)壘理論接觸粒界勢(shì)壘理論7.2 氣體傳感器敏感機(jī)理價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面還原性氣體還原性氣體提供電子提供電子半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面電子供給型電子供給型氣體：氣體：NH3導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+勢(shì)壘勢(shì)壘7.3.1 7.3.1 有機(jī)有機(jī)/ /無(wú)機(jī)納米復(fù)合薄膜氣體傳感器的無(wú)機(jī)納米復(fù)合薄膜氣體傳感器的制備及特性研究制備及特性研究7.3.2 7.3.2 有機(jī)薄膜晶體管氣體傳感器的制備及有機(jī)薄膜晶體管氣體傳感器的制備及特性研究特性研究7.3.3 7.3.3 質(zhì)量敏感型有