半導體氣敏傳感器課件

第2章半導體氣敏傳感器第2章半導體氣敏傳感器1氣敏傳感器能夠有選擇地將氣體濃度轉化為相應的電信號。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)點之外，薄膜技術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化為相應的2半導體氣敏傳感器依控制機理可分為兩類，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。

實際應用中，氣敏傳感器應滿足下列要求：(1)具有良好的選擇性。(2)具有較高的靈敏度和寬響應動態(tài)范圍。(3)性能穩(wěn)定。(4)響應速度快，重復性好。(5)保養(yǎng)簡單，價格便宜等。半導體氣敏傳感器依控制機理可分為兩類，一3電阻控制型氣敏傳感器機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變化來檢測氣體的。依據(jù)發(fā)生變化的是表面電導還是體電導可分為表面電導型傳感器和體電導型傳感器。這種傳感器的敏感元件有多種構造。電阻控制型氣敏傳感器機理電阻控制型氣敏傳4燒結元件薄膜敏感元件厚膜元件集成結構絲網印刷燒結元件薄膜敏感元件厚膜元件集成結構絲網印刷5晶界勢壘模型

晶界勢壘模型基于半導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。由于氧從半導體晶粒表面吸附負電荷(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。以H2為例；晶界勢壘模型

晶界勢壘模型基于半導體氣敏材料6反應釋放出電子，降低了表面勢壘，從而削弱了勢壘對電子運動的阻礙作用，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實質上就是還原性氣體的燃燒反應。加熱能促進其燃燒反應，故半導體氣敏傳感器通常在加熱條件下使用。反應釋放出電子，降低了表面勢壘，從而削弱了勢壘對電子運動的阻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氧化物半導體表面的氣-氣反應與氣體吸附覆蓋度直接相關，此時傳感器阻值與PH2PO2均有關系，當氧氣分壓很大，氧吸附接近飽和，即KO2PO2>>KH2PH2+1時，有：氧化物半導體表面的氣-氣反應與氣體吸附覆蓋度直接相關，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)關系，并且這種關系與不同的氣敏元件及其催化劑有關。由于氧吸附的作用，金屬氧化物半導體氣敏傳感器的靈敏度與溫度密切相關。實際應用中，應選擇工作溫度低、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的影響與溫度有關。在高溫范圍內，SnO2氣敏傳感器電導值隨溫度變化關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，應考慮濕度對電導的影響．3濕度濕度對傳感器電導的影響與溫度有關。在高溫范圍內，S11

半導體氣敏傳感器電導與水蒸汽分壓呈對數(shù)線性關系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。半導體氣敏傳感器電導與水蒸汽分壓呈對數(shù)線性關系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成陣列式傳感器，第二，將過去安放于傳感器后級的信導處理電路與傳感器集成在同一芯片上構成集成傳感器。

半導體場效應型氣敏元件。該結構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構，適宜作集成敏感元件。Pd發(fā)射極隧道場感應結晶體管結構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．集成化設計1)相鄰相似單元

集成電路工藝的特點是制作器件的絕對參數(shù)即使不夠精確，器件間的電學參數(shù)、幾何參數(shù)的比例值卻依然保持準確一致。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．集成化設計擇優(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)結構如圖所示。

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、模式識別技術等對數(shù)據(jù)進行處理，得到更加合理和精確的結果，并可以實現(xiàn)多功能。氣敏單元陣列可采用多種制作方法：(1)采用不同工作機理的傳感器