半導體氣體傳感器簡介2010.03.05

半導體氣體傳感器簡介主講：祁明鋒安全環(huán)保健康傳感器的基本概念半導體氣體傳感器煒盛半導體氣體傳感器簡介費加羅半導體氣體傳感器簡介新型半導體氣體傳感器簡介目錄傳感器的基本概念半導體氣體傳感器煒盛半導體氣體傳感器簡介費加羅半導體氣體傳感器簡介新型半導體氣體傳感器簡介目錄1、什么是傳感器？

能夠采集信息并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易識別的信號（如電號、聲信號、光信號、數(shù)字信號等），凡是具有這種功能的部件或裝置，統(tǒng)稱為傳感器。2、什么是氣體傳感器？

能夠采集氣體的某些信息（如：濃度、種類）并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易識別的信號（如電信號、聲信號、光信號、數(shù)字信號等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，就是氣體傳感器。一、傳感器基本概念氣體傳感器分類：化學類氣體傳感器:半導體氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學氣體傳感器，熱線氣體傳感器等。物理類氣體傳感器:光電傳感器、熱電傳感器、壓電傳感器、磁電傳感器、氣電傳感器、波式和射線射線傳感器等。3、氣體傳感器的分類靈敏度：元件在規(guī)定的工作條件下，其在一定的氣體濃度下的輸出（電壓、電流、電阻等，下同）與潔凈空氣或參比氣體中的輸出的差值或比值。響應時間：傳感器接觸的氣體濃度發(fā)生階躍變化時，其輸出變化達到穩(wěn)定值的規(guī)定的百分比（一般為70%或90%）時所需的時間。選擇性：指傳感器對氣體種類的識別能力。穩(wěn)定性：在規(guī)定的工作條件下和一定的工作周期內(nèi)，傳感器的輸出變化不超過允許誤差的能力。線性度：傳感器的實際輸出值曲線與某一規(guī)定直線的偏離程度。初始穩(wěn)定特性：傳感器在存放后重新開始工作時初始輸出達到穩(wěn)定的時間。壽命：在一定的工作條件下，傳感器的輸出變化超過允許誤差的時間。零點：傳感器在潔凈空氣或參比氣體中在規(guī)定工作條件下的輸出值。靈敏度漂移：傳感器在規(guī)定的工作條件下其靈敏度的變化。分辯率：傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最小變化量。12爆炸下限：可燃性氣體、蒸氣或粉塵與空氣組成的混合物能使火焰?zhèn)鞑サ淖畹蜐舛确Q為該氣體或蒸氣的爆炸下限。ppm：百萬分之一。ppb：十億分之一。mg/m3轉(zhuǎn)換為ppm：1mg/m3=(22.4/M)*(273+t)/273ppmM：相對分子量，t：環(huán)境溫度（℃）4、氣體傳感器常用術(shù)語3選擇性：指傳感器對氣體種類的識別能力。在完全未知的氣體環(huán)境中（即完全不知道環(huán)境中有哪幾種氣體）傳感器不能告訴人們探測到的是什么氣體，即半導體式的氣體傳感器不具有本質(zhì)的選擇性；在已知的氣體環(huán)境里（即人們知道要探測環(huán)境里存在哪些氣體）可實現(xiàn)相對的選擇性探測。如GB15322規(guī)定，可燃性氣體探測器在1000ppm乙醇蒸氣中浸泡10分鐘不得發(fā)出警報信號，即是基于在家庭環(huán)境最常見的干擾氣體就是乙醇。初始穩(wěn)定特性：傳感器出廠之前都要通過較長時間的老化以使其各項性能趨于穩(wěn)定。老化后的傳感器在經(jīng)過冷置以后，無論時間長短，在上機調(diào)試前，都必須經(jīng)過一定時間（一般在幾十分鐘到48小時不等）的老化預熱，傳感器的各項性能才會重新穩(wěn)定下來。經(jīng)過冷置存放后的傳感器，通電瞬間傳感器敏感體的電阻會急劇下降，后逐漸變大至穩(wěn)定，整個過程所需要的時間取決于存放環(huán)境以及冷置時間的長短，在潔凈環(huán)境中存放時間不超過10天時初始穩(wěn)定時間會在30分鐘以內(nèi)，其它情況下應不少于48小時。功耗：半導體氣體傳感器需要消耗能量以保持所需的工作溫度，器件的功耗與敏感材料、元件結(jié)構(gòu)及所要檢測的氣體種類密切相關(guān)。一般情況下旁熱式元件的功耗會大一些（管式元件約750-900mW，平面元件不超過400mW），直熱式元件（除三氧化二鐵元件外）及自加熱元件功耗要小一些（一般小于250mW）。功耗對便攜式儀器來講是一個重要指標。不同結(jié)構(gòu)的半導體氣敏器件的差異：旁熱式元件有更好的穩(wěn)定性，敏感體材料與引線接觸的更緊密，信號不交叉，但功耗大；直熱式元件體積小，功耗小，但是，敏感體材料易與引線接觸不良，加熱與測試信號易交叉，因此，穩(wěn)定性次于旁熱式元件；自加熱元件體積小，功耗低，使用方便，穩(wěn)定性較差。傳感器的基本概念半導體氣體傳感器煒盛半導體氣體傳感器簡介費加羅半導體氣體傳感器簡介新型半導體氣體傳感器簡介目錄二、半導體氣體傳感器1、半導體氣體傳感器的起源

半導體氣敏材料的發(fā)展可追溯到1931年，P.Braver等發(fā)現(xiàn)CuO的電導率隨水蒸氣的吸附而改變。1948年J.Gray發(fā)現(xiàn)CuO2薄膜在200度左右存在氣敏性，而200度以下卻沒有。1962年日本清山哲郎與田口尚義等對ZnO、SnO2薄膜的開創(chuàng)性研究，使氣敏材料和傳感器才真正發(fā)展起來。

2、半導體氣體傳感器的工作原理

金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動（見圖1）在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒的結(jié)合部位（晶界）才能形成電流。由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低(見圖2）導致傳感器的阻值減小。圖1-晶粒間勢壘模型（潔凈空氣）圖2-晶粒間勢壘模型（還原性氣體出現(xiàn)時）3、氣體傳感器的應用領(lǐng)域

家用氣體報警器●檢測有害氣體●凈化空氣質(zhì)量●創(chuàng)造舒適環(huán)境硅基微熱板式氣體傳感器傳統(tǒng)的陶瓷管燒結(jié)型氣體傳感器Al2O3基氣體傳感器QCM氣體傳感器SAW氣體傳感器陶瓷管式傳感器結(jié)構(gòu)圖直熱式傳感器結(jié)構(gòu)圖自加熱式傳感器結(jié)構(gòu)圖微珠式傳感器結(jié)構(gòu)圖厚膜平面式傳感器結(jié)構(gòu)圖MEMS半導體氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖微型氣體傳感器芯片基于陣列的智能氣體傳感器（CO、H2S、NO2、酒精、可燃氣體等）封裝后的氣體傳感器陣列智能CO氣體傳感器智能氣體傳感器4、半導體傳感器的典型結(jié)構(gòu)當加熱器與半導體材料為隔離狀態(tài)時，這一類結(jié)構(gòu)的傳感器就是旁熱式氣體傳感器，旁熱式又可分為管狀旁熱式和平面旁熱式兩種；當加熱器與半導體材料直接接觸時，這一類結(jié)構(gòu)的傳感器即為直熱式氣體傳感器；不需要附加加熱器的傳感器就是自加熱式氣體傳感器。圖3（a）管狀旁熱式圖3（b）直熱式圖3（c）常溫式圖3(d）平面旁熱式半導體傳感器的設(shè)計依據(jù)5、半導體元件的氣敏特性A、初始恢復特性生產(chǎn)老化一般為10天；使用前老化一般在幾十分鐘到48小時不等經(jīng)過冷置存放后的傳感器，通電瞬間傳感器敏感體的電阻會急劇下降，后逐漸變大至穩(wěn)定過程所需要的時間取決于存放環(huán)境以及冷置時間的長短

圖4半導體元件初始恢復特性曲線MQ-4甲烷靈敏度特性圖5旁熱式元件的靈敏度曲線MQ-4甲烷響應恢復曲線圖6旁熱式元件的響應恢復曲線

圖7旁熱式元件長期穩(wěn)定性曲線

圖8旁熱式元件溫濕度特性曲線B、響應、恢復特性與穩(wěn)定性6、

半導體氣體傳感器的應用特點適用領(lǐng)域：工業(yè)、家用領(lǐng)域中爆炸下限內(nèi)氣體的半定量、定性檢測；靈敏度：輸出信號較大，一般以“V”為單位相應恢復特性：一般響應時間小于10s，恢復時間小于30s；選擇性：不具有本質(zhì)的選擇性，只可顯示差異；功耗：半導體氣體傳感器需要消耗能量以保持所需的工作溫度，器件的功耗與敏感材料、元件結(jié)構(gòu)及所要檢測的氣體種類密切相關(guān)。常規(guī)旁熱式元件的功耗約750-850mw，平面半導體元件200-450mw,直熱式元件及常溫元件功耗一般小于250mw；線性:濃度與靈敏度呈指數(shù)關(guān)系，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。穩(wěn)定性:環(huán)境氧濃度的變化、水對表面活性位的占據(jù)、環(huán)境溫度的變化、干擾氣體的影響、傳感器敏感材料本身物理性質(zhì)（顆粒）的變化等都會引起傳感器特性的變化。壽命：壽命一般會超過5年，除機械性損傷造成的傳感器失效外；7、半導體氣體傳感器使用注意事項

必須避免的情況1.1暴露于有機硅蒸氣中：如果傳感器的表面吸附了有機硅蒸氣，傳感器的敏感材料會被包裹住，抑制傳感器的敏感性，并且不可恢復。傳感器要避免暴露其在硅粘接劑、發(fā)膠、硅橡膠、膩子或其它含硅塑料添加劑可能存在的地方。1.2高腐蝕性的環(huán)境：傳感器暴露在高濃度的腐蝕性氣體（如H2S，SOX，Cl2，HCl等）中，不僅會引起加熱材料及傳感器引線的腐蝕或破壞，并會引起敏感材料性能發(fā)生不可逆的改變。1.3堿、堿金屬鹽、鹵素的污染：傳感器被堿金屬尤其是鹽水噴霧污染后，及暴露在鹵素如氟中也會引起性能劣變。1.4接觸到水：濺上水或浸到水中會造成敏感特性下降。1.5結(jié)冰：水在敏感元件表面結(jié)冰會導致敏感材料碎裂而喪失敏感特性。1.6施加電壓過高：如果給敏感元件或加熱器施加的電壓高于規(guī)定值，即使傳感器沒有受到物理損壞或破壞，也會造成引線和/或加熱器損壞，并引起傳感器敏感特性下降。1.7電壓加錯管腳盡可能避免的情況凝結(jié)水：在室內(nèi)使用，輕微凝結(jié)水對傳感器性能會產(chǎn)生輕微影響。但是如水凝結(jié)在敏感元件表面并保持一段時間，傳感器特性則會下降。處于高濃度氣體中：無論傳感器是否通電，在高濃度氣體中長期放置，都會影響傳感器特性。長期貯存：傳感器在不通電情況下長時間貯存，其電阻會產(chǎn)生可逆性漂移，這種漂移與貯存環(huán)境有關(guān)。傳感器應貯存在有清潔空氣不含硅膠的密封袋中。經(jīng)長期不通電貯存的傳感器，在使用前需要長時間通電以使其達到穩(wěn)定。長期暴露在極端環(huán)境中：無論傳感器是否通電，長時間暴露在極端條件下，如高濕、高溫、或高污染等極端條件，傳感器性能將受到嚴重影響。振動：頻繁、過度振動會導致敏感元件引線產(chǎn)生共振而斷裂。在運輸途中及組裝線上使用氣動改錐/超聲波焊接機會產(chǎn)生這種振動。沖擊：如果傳感器受到強烈沖擊會導致其引線斷線。使用：對傳感器來說手工焊接是最理想的焊接方式。使用波峰焊是應滿足以下條件：助焊劑：含氯最少的松香助焊劑速度：1-2米/分鐘預熱溫度：100±20℃焊接溫度：250±10℃1次通過波峰焊機

半導體與接觸燃燒傳感器的對比

半導體與接觸燃燒傳感器的對比傳感器的基本概念半導體氣體傳感器煒盛半導體氣體傳感器簡介費加羅半導體氣體傳感器簡介新型半導體氣體傳感器簡介目錄平面半導體傳感器

-10℃48.1%RH0℃43.0%RH25℃72.7%RH50℃85.2%RH70℃87.2%RHV0TGS26110.27750.3260.4960.5820.682MP-40.2650.308330.5076670.4603330.604VSTGS26111.65652.26152.6652.8943.0715MP-42.4206672.5216672.836672.9166673.091667從高低溫曲線上看，MP-4比TGS2611低溫性能更好，低溫下仍能保證整機在正常檢測范圍內(nèi)報警。MP-4氣敏元件抗干擾性氣體濃度（ppm）5001000200030004000500060007000CH4

3.5115193.5464813.593963酒精

1.4677781.7671112.0055192.1486672.276074

乙酸1.0821851.249667

MP-4元件抗干擾性氣體濃度（ppm）輸出電壓（V）5000ppm甲烷可抗5000ppm酒精、1000ppm乙酸，符合中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)燃氣報警器標準。MP-4元件長期穩(wěn)定性觀測時間MP-4元件長期穩(wěn)定性曲線輸出電壓（V）上圖為2008年11月份留樣長期通電狀態(tài)下測得的數(shù)據(jù)曲線，元件穩(wěn)定性非常好。MP-3B元件與MQ-3S對比高低溫曲線（5.0V測試)MQ-3S&MP-3B高低溫曲線125ppm輸出電壓（V）MP-3B元件濕度曲線（2.5V測試）MP-3B元件冷置恢復特性

（AT6000整機長期測試結(jié)果單位g/L）日期2010.5.62010.5.112010.5.132010.5.242010.6.22010.6.92010.6.232010.7.9溫濕度25.4℃26.2%RH25.2℃37.7%RH

27.4℃60%RH27.1℃52%RH26.5℃56%RH27℃51%RH28.4℃64%RH1#0.520.460.540.720.680.560.720.640.60.480.480.460.580.540.540.560.50.50.50.480.482#0.60.50.620.620.620.50.50.480.50.420.420.420.440.460.440.460.440.420.440.440.443#0.60.50.580.720.640.50.640.50.460.440.420.40.50.460.440.480.440.420.420.440.464#0.560.50.580.70.660.520.70.640.60.460.480.460.580.520.460.540.480.460.480.480.485#0.50.4600.70.5故障顯0，小板上加熱器引腳焊盤脫落0.460.460.420.50.440.440.480.440.420.440.420.426#0.620.520.50.620.680.50.540.50.50.40.40.40.440.440.460.440.440.460.420.420.447#0.640.60.640.70.740.50.580.580.480.420.420.420.460.460.480.460.420.460.460.460.488#0.560.50.460.560.60.480.50.50.460.40.40.360.440.420.440.420.440.420.420.420.449#0.560.520.520.640.640.520.70.70.640.50.480.460.560.560.520.560.520.50.50.50.510#0.520.4800.640.540.480.60.60.480.460.440.440.480.460.440.460.460.440.480.480.46AT6000使用時檢測范圍0.4g/L-0.7g/LMP-3B元件冷置恢復代表性數(shù)據(jù)（冷置22天后125ppm酒精連續(xù)測試10次）

1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次30sV00.4146670.42090.43070.41570.52180.41810.27350.36630.43650.405950sV00.357250.37530.39310.37650.47190.38270.25110.34130.41530.366870sVS1.4831.50231.51391.54211.63261.51211.35541.45711.56741.4846MP135元件應用情況

目前，MP135元件應用的客戶群主要有兩大類：一類以室內(nèi)空氣清新機為主，測試室內(nèi)空氣質(zhì)量，實際標定多以酒精為主，此類檢測并不要求非常精確，檢測兩個或三個固定點即可達到使用要求；另外一類以測試可燃氣體和乙醚氣體為主（主要為漢威客戶），整機出口國外客戶，主要用于房車中監(jiān)控燃氣泄露及防盜（乙醚為麻醉氣體），對整機要求精度較高。

MP135屬廣譜型元件，使用過程中元件易受雜質(zhì)氣體影響造成零點漂移，故須在電路設(shè)計中選擇適當?shù)呢撦d電阻匹配，以保證元件長期使用時零點漂移而造成電路故障。MP-135氣敏元件與TGS2600元件對比高低溫數(shù)據(jù)型號-10℃40.3%RH0℃36.3%RH25℃81.5%RH50℃84.0%RHV0TGS26000.183250.23250.650750.38MP1350.30750.385750.9860.649VS(50ppmH2)TGS26000.725750.644751.15151.16775MP1350.9350.97951.726751.7125MP135元件線性曲線MP135元件測試氣體種類及靈敏度氣體濃度（ppm）輸出電壓（V）傳感器的基本概念半導體氣體傳感器煒盛半導體氣體傳感器簡介費加羅半導體氣體傳感器簡介新型半導體氣體傳感器簡介目錄TGS2000系列傳感器素子結(jié)構(gòu)21XX單面單素子22XX單面雙素子26XX雙面單素子24XX多層單素子TGS傳感器一覽（1）TGS傳感器一覽（2）TGS傳感器一覽（3）TGS傳感器一覽（4）TGS傳感器一覽（5）檢知原理-1清潔空氣氧化鋁基體加熱器氧化錫電池O2O2O2eee電子粒界電子顯微鏡照片(×400)空氣中檢知原理-2還原性氣體在還原性氣體存在下粒界電子燃氣泄漏O2O2O2氧化鋁基體加熱器氧化錫電池eee放置后再通電的動作A：通電狀態(tài)下的穩(wěn)定區(qū)間B：不通電放置區(qū)間C：再通電過渡區(qū)間需絕對避免事項含硅氣氛中使用傳感器附近使用含硅的粘結(jié)劑、發(fā)膠、橡膠、膩子等，硅會吸附在傳感器表面，影響傳感器特性。有機溶劑氣氛保管在醇類、酮類、揮發(fā)油類氣氛下保管，因雜質(zhì)氣體在傳感器表面吸附，影響傳感器特性。長期保管需使用不發(fā)生雜質(zhì)氣體的包裝材料密閉保管。堿金屬污染堿金屬污染（特別是鹽水噴霧）會使傳感器特性發(fā)生很大變化。原則上，其他無機元素污染的影響也同樣。濺水傳感器浸水、濺水，都會影響傳感器特性。凍結(jié)傳感器表面結(jié)冰的話，會導致表面出現(xiàn)裂縫。過電壓在傳感器上施加額定以上的電壓（回路電壓或加熱絲電壓）的話會造成斷線。即使還沒到斷線的程度也會影響到傳感器特性。所以，即使有一次過電壓的經(jīng)歷，這只傳感器也不能再使用。要求注意事項結(jié)露水分在傳感器表面存留的狀態(tài)長期持續(xù)時，傳感器特性會發(fā)生變化。但在室內(nèi)安裝狀態(tài)下，輕微結(jié)露沒有問題。長期保存不通電狀態(tài)下在大氣中長期保存，傳感器的電阻升高。通電后阻值會恢復到原來的水平。長期保存應使用無臭味、不發(fā)生氣體的材料封裝保存。高溫高濕狀態(tài)下的保存在極端高溫高濕狀態(tài)下長期保存時，會對傳感器特性產(chǎn)生影響。振動的影響生產(chǎn)中使用風動（或電動）改錐時，傳感器引線的共振可能導致斷線。量產(chǎn)中使用風動改錐需先做試驗確認。沖擊的影響從1m高度落到水泥等硬地面上后可能發(fā)生斷線。即使還沒斷線，經(jīng)跌落等沖擊的傳感器最好不要再使用。助焊劑的影響使用焊槽在基板上焊接時，發(fā)出的高濃度助焊劑會影響傳感器特性。因此最好用手焊。（想在量產(chǎn)中使用焊槽的話，需先做試驗確認。）長期穩(wěn)定性只有季節(jié)周期波動，沒有單調(diào)變化。敏感材料加熱絲電極TGS８

型傳感器結(jié)構(gòu)TGS813特性曲線26結(jié)構(gòu)TGS2611（天然氣用）

1994年開始開發(fā)

1995年投放市場，2002年度銷售了286萬只，2002年底累計銷售了938萬只

26傳感器的特點：１）應用厚膜印刷技術(shù)，特性均一性強２）采用自動機組裝，便于大量生產(chǎn)３）小型化（1.5mm見方），低功耗４）電極線為Pt/W線，機械強度高

26傳感器的用途：

1）燃氣報警器等保安用途

2）空氣清潔機、空調(diào)等的空氣質(zhì)量用途

3）酒精檢測、氫氣檢測、氟利昂檢測等用途２６系列傳感器概要MS／點付（手動）工藝MS（弱溶接）點付底座溶接AUB工藝金鍵合底座溶接AUB自動機生產(chǎn)涂防銹涂料壓帽芯片26傳感器的兩種平行制造工藝節(jié)省部材自動化節(jié)省人工