半導(dǎo)體氣敏傳感器課件

第2章半導(dǎo)體氣敏傳感器第2章半導(dǎo)體氣敏傳感器1氣敏傳感器能夠有選擇地將氣體濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。自從l962年用金屬氧化物多晶制成的可燃性氣體傳感器面世，其中薄膜型元件尤其受到重視，除了元件體積小、功耗低、特性一致性好等種種優(yōu)點(diǎn)之外，薄膜技術(shù)可與集成電路的制造工藝兼容，這是極其重要的。氣敏傳感器能夠有選擇地將氣體濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的2半導(dǎo)體氣敏傳感器依控制機(jī)理可分為兩類，一類是電阻控制型氣敏傳感器；另—類是非電阻型氣敏傳感器。

實(shí)際應(yīng)用中，氣敏傳感器應(yīng)滿足下列要求：(1)具有良好的選擇性。(2)具有較高的靈敏度和寬響應(yīng)動態(tài)范圍。(3)性能穩(wěn)定。(4)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。(5)保養(yǎng)簡單，價(jià)格便宜等。半導(dǎo)體氣敏傳感器依控制機(jī)理可分為兩類，一3電阻控制型氣敏傳感器機(jī)理電阻控制型氣敏傳感器是通過敏感元件與被測氣體的接觸引起的電導(dǎo)變化來檢測氣體的。依據(jù)發(fā)生變化的是表面電導(dǎo)還是體電導(dǎo)可分為表面電導(dǎo)型傳感器和體電導(dǎo)型傳感器。這種傳感器的敏感元件有多種構(gòu)造。電阻控制型氣敏傳感器機(jī)理電阻控制型氣敏傳4燒結(jié)元件薄膜敏感元件厚膜元件集成結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)印刷燒結(jié)元件薄膜敏感元件厚膜元件集成結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)印刷5晶界勢壘模型

晶界勢壘模型基于半導(dǎo)體氣敏材料是由許多晶粒組成的多晶體，在晶粒接觸的界面處存在著勢壘和界面態(tài)。以檢測可燃性氣體的SnO2材料為例，一般情況下，界面處吸附氧化性氣體(如空氣中的O2或NO2等)，界面態(tài)被氧原子所飽和。由于氧從半導(dǎo)體晶粒表面吸附負(fù)電荷(形成O-，O，O2-)等：從而提高了界面勢壘，阻礙了電子在晶粒之間的運(yùn)動，因而材料表現(xiàn)出較高的電阻率。若氣敏元件接觸可燃性氣體．則可燃性氣體與所吸附的氧發(fā)生反應(yīng)。以H2為例；晶界勢壘模型

晶界勢壘模型基于半導(dǎo)體氣敏材料6反應(yīng)釋放出電子，降低了表面勢壘，從而削弱了勢壘對電子運(yùn)動的阻礙作用，則材料表現(xiàn)出較低的電阻率。勢壘的變化如圖所示。該模型較好地解釋氣敏元件在還原性氣體中電阻率下降的規(guī)律。兩式合并則有：

可見，還原性氣體使氣敏元件電阻率下降的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上就是還原性氣體的燃燒反應(yīng)。加熱能促進(jìn)其燃燒反應(yīng)，故半導(dǎo)體氣敏傳感器通常在加熱條件下使用。反應(yīng)釋放出電子，降低了表面勢壘，從而削弱了勢壘對電子運(yùn)動的阻7影響電阻控制型氣敏傳感器的因素

1氧化分壓KH2，KO2---H2，O2的吸附平衡常數(shù)；PH2，PO2---H2，O2分壓影響電阻控制型氣敏傳感器的因素

1氧化分壓KH2，KO2-8氧化物半導(dǎo)體表面的氣-氣反應(yīng)與氣體吸附覆蓋度直接相關(guān)，此時傳感器阻值與PH2PO2均有關(guān)系，當(dāng)氧氣分壓很大，氧吸附接近飽和，即KO2PO2>>KH2PH2+1時，有：氧化物半導(dǎo)體表面的氣-氣反應(yīng)與氣體吸附覆蓋度直接相關(guān)，此時傳92．溫度對于不同的氣體，氣體傳感器電阻值與溫度存在不同的函數(shù)關(guān)系，并且這種關(guān)系與不同的氣敏元件及其催化劑有關(guān)。由于氧吸附的作用，金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的靈敏度與溫度密切相關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇工作溫度低、靈敏度高的氣敏傳感器。

2．溫度對于不同的氣體，氣體傳感器電阻值與溫度存在不同的函103濕度濕度對傳感器電導(dǎo)的影響與溫度有關(guān)。在高溫范圍內(nèi)，SnO2氣敏傳感器電導(dǎo)值隨溫度變化關(guān)系在干燥空氣和潮濕空氣中趨于一致。因此，選擇氣敏傳感器的工作溫度時，應(yīng)考慮濕度對電導(dǎo)的影響．3濕度濕度對傳感器電導(dǎo)的影響與溫度有關(guān)。在高溫范圍內(nèi)，S11

半導(dǎo)體氣敏傳感器電導(dǎo)與水蒸汽分壓呈對數(shù)線性關(guān)系G=G0=KH2O(PH2O)1/x

可見，水蒸氣對氣敏元件的作用類似于還原性氣體。因此，金屬氧化物半導(dǎo)體也可以作濕敏材料。氣敏元件的特性還受其它因素的影響。半導(dǎo)體氣敏傳感器電導(dǎo)與水蒸汽分壓呈對數(shù)線性關(guān)系12氣敏傳感器的集成化與智能化

氣敏傳感器的集成化和智能化一般具有兩方面的含義：第一，把一些相同或不同的多個傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成陣列式傳感器，第二，將過去安放于傳感器后級的信導(dǎo)處理電路與傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成集成傳感器。

半導(dǎo)體場效應(yīng)型氣敏元件。該結(jié)構(gòu)器件由于靈敏度高可在室溫下工作，且溫度穩(wěn)定性好于通常的晶體管，因而簡化了溫度處理結(jié)構(gòu)，適宜作集成敏感元件。Pd發(fā)射極隧道場感應(yīng)結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖氣敏傳感器的集成化與智能化氣敏傳感器的集成132．集成化設(shè)計(jì)1)相鄰相似單元

集成電路工藝的特點(diǎn)是制作器件的絕對參數(shù)即使不夠精確，器件間的電學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù)的比例值卻依然保持準(zhǔn)確一致。這樣，制作相鄰、相似的集成氣敏單元，在它們有特性漂移的情況下，由于其漂移特性相同，可以相互抵消，從而可提出所需信號。

擇優(yōu)差分型CO氣敏單元示意圖2．集成化設(shè)計(jì)擇優(yōu)差分型CO氣敏單元示意圖142)帶有自恒溫系統(tǒng)與信號處理電路的傳感器—般氣敏元件需要在加熱條件下工作，因此許多氣敏單元都帶有加熱器。將控制電路與敏感單元及測溫二極管集成在一起時，就可以根據(jù)需要，使氣敏傳感器工作在對被測氣體靈敏度最高的合適溫度。這一具有反饋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

自恒溫系統(tǒng)框架示意圖2)帶有自恒溫系統(tǒng)與信號處理電路的傳感器自恒溫系統(tǒng)框架示意圖153)氣敏單元陣列通過多個數(shù)據(jù)融合、模式識別技術(shù)等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到更加合理和精確的結(jié)果，并可以實(shí)現(xiàn)多功能。氣敏單元陣列可采用多種制作方法：(1)采用不同工作機(jī)理的傳感器，(2)采用各種不同的敏感材料制作傳感器。(3)通過控制材料的微觀結(jié)構(gòu)、選擇新的添加劑及改變器件結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，來獲得不同性能的氣體傳感器，如帶孔和不帶孔的Pd柵MOSFET氣體傳感器、多層薄膜結(jié)構(gòu)元件等。

3)氣敏單元陣列16第2章半導(dǎo)體氣敏傳感器第2章半導(dǎo)體氣敏傳感器17氣敏傳感器能夠有選擇地將氣體濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。自從l962年用金屬氧化物多晶制成的可燃性氣體傳感器面世，其中薄膜型元件尤其受到重視，除了元件體積小、功耗低、特性一致性好等種種優(yōu)點(diǎn)之外，薄膜技術(shù)可與集成電路的制造工藝兼容，這是極其重要的。氣敏傳感器能夠有選擇地將氣體濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的18半導(dǎo)體氣敏傳感器依控制機(jī)理可分為兩類，一類是電阻控制型氣敏傳感器；另—類是非電阻型氣敏傳感器。

實(shí)際應(yīng)用中，氣敏傳感器應(yīng)滿足下列要求：(1)具有良好的選擇性。(2)具有較高的靈敏度和寬響應(yīng)動態(tài)范圍。(3)性能穩(wěn)定。(4)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。(5)保養(yǎng)簡單，價(jià)格便宜等。半導(dǎo)體氣敏傳感器依控制機(jī)理可分為兩類，一19電阻控制型氣敏傳感器機(jī)理電阻控制型氣敏傳感器是通過敏感元件與被測氣體的接觸引起的電導(dǎo)變化來檢測氣體的。依據(jù)發(fā)生變化的是表面電導(dǎo)還是體電導(dǎo)可分為表面電導(dǎo)型傳感器和體電導(dǎo)型傳感器。這種傳感器的敏感元件有多種構(gòu)造。電阻控制型氣敏傳感器機(jī)理電阻控制型氣敏傳20燒結(jié)元件薄膜敏感元件厚膜元件集成結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)印刷燒結(jié)元件薄膜敏感元件厚膜元件集成結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)印刷21晶界勢壘模型

晶界勢壘模型基于半導(dǎo)體氣敏材料是由許多晶粒組成的多晶體，在晶粒接觸的界面處存在著勢壘和界面態(tài)。以檢測可燃性氣體的SnO2材料為例，一般情況下，界面處吸附氧化性氣體(如空氣中的O2或NO2等)，界面態(tài)被氧原子所飽和。由于氧從半導(dǎo)體晶粒表面吸附負(fù)電荷(形成O-，O，O2-)等：從而提高了界面勢壘，阻礙了電子在晶粒之間的運(yùn)動，因而材料表現(xiàn)出較高的電阻率。若氣敏元件接觸可燃性氣體．則可燃性氣體與所吸附的氧發(fā)生反應(yīng)。以H2為例；晶界勢壘模型

晶界勢壘模型基于半導(dǎo)體氣敏材料22反應(yīng)釋放出電子，降低了表面勢壘，從而削弱了勢壘對電子運(yùn)動的阻礙作用，則材料表現(xiàn)出較低的電阻率。勢壘的變化如圖所示。該模型較好地解釋氣敏元件在還原性氣體中電阻率下降的規(guī)律。兩式合并則有：

可見，還原性氣體使氣敏元件電阻率下降的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上就是還原性氣體的燃燒反應(yīng)。加熱能促進(jìn)其燃燒反應(yīng)，故半導(dǎo)體氣敏傳感器通常在加熱條件下使用。反應(yīng)釋放出電子，降低了表面勢壘，從而削弱了勢壘對電子運(yùn)動的阻23影響電阻控制型氣敏傳感器的因素

1氧化分壓KH2，KO2---H2，O2的吸附平衡常數(shù)；PH2，PO2---H2，O2分壓影響電阻控制型氣敏傳感器的因素

1氧化分壓KH2，KO2-24氧化物半導(dǎo)體表面的氣-氣反應(yīng)與氣體吸附覆蓋度直接相關(guān)，此時傳感器阻值與PH2PO2均有關(guān)系，當(dāng)氧氣分壓很大，氧吸附接近飽和，即KO2PO2>>KH2PH2+1時，有：氧化物半導(dǎo)體表面的氣-氣反應(yīng)與氣體吸附覆蓋度直接相關(guān)，此時傳252．溫度對于不同的氣體，氣體傳感器電阻值與溫度存在不同的函數(shù)關(guān)系，并且這種關(guān)系與不同的氣敏元件及其催化劑有關(guān)。由于氧吸附的作用，金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的靈敏度與溫度密切相關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇工作溫度低、靈敏度高的氣敏傳感器。

2．溫度對于不同的氣體，氣體傳感器電阻值與溫度存在不同的函263濕度濕度對傳感器電導(dǎo)的影響與溫度有關(guān)。在高溫范圍內(nèi)，SnO2氣敏傳感器電導(dǎo)值隨溫度變化關(guān)系在干燥空氣和潮濕空氣中趨于一致。因此，選擇氣敏傳感器的工作溫度時，應(yīng)考慮濕度對電導(dǎo)的影響．3濕度濕度對傳感器電導(dǎo)的影響與溫度有關(guān)。在高溫范圍內(nèi)，S27

半導(dǎo)體氣敏傳感器電導(dǎo)與水蒸汽分壓呈對數(shù)線性關(guān)系G=G0=KH2O(PH2O)1/x

可見，水蒸氣對氣敏元件的作用類似于還原性氣體。因此，金屬氧化物半導(dǎo)體也可以作濕敏材料。氣敏元件的特性還受其它因素的影響。半導(dǎo)體氣敏傳感器電導(dǎo)與水蒸汽分壓呈對數(shù)線性關(guān)系28氣敏傳感器的集成化與智能化

氣敏傳感器的集成化和智能化一般具有兩方面的含義：第一，把一些相同或不同的多個傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成陣列式傳感器，第二，將過去安放于傳感器后級的信導(dǎo)處理電路與傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成集成傳感器。

半導(dǎo)體場效應(yīng)型氣敏元件。該結(jié)構(gòu)器件由于靈敏度高可在室溫下工作，且溫度穩(wěn)定性好于通常的晶體管，因而簡化了溫度處理結(jié)構(gòu)，適宜作集成敏感元件。Pd發(fā)射極隧道場感應(yīng)結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖氣敏傳感器的集成化與智能化氣敏傳感器的集成292．集成化設(shè)計(jì)1)相鄰相似單元

集成電路工藝的特點(diǎn)是制作器件的絕對參數(shù)即使不夠精確，器件間的電學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù)的比例值卻依然保持準(zhǔn)確一致。這樣，制作相鄰、相似的集成氣敏單元，在它們有特性漂移的情況下，由于其漂移特性相同，可以相互抵消，從而可提出所需信號。

擇優(yōu)差分型CO氣敏單元示意圖2．集成化設(shè)計(jì)擇優(yōu)差分型CO氣敏單元示意圖302)帶有自恒溫系統(tǒng)與信號處理電路的傳感器—般氣敏元件需要在加熱條件下工作，因此許多氣敏單元都帶有加熱器。將控制電路與敏感單元及測溫二極管集成在一起時，就可以根據(jù)需要，使氣敏傳感器工作在對被測氣體靈敏度最高的合適溫度。這一具有反饋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

自恒溫系統(tǒng)框架示意圖2)帶有