電化學氣體傳感器

1、整理ppt第14章氣體傳感器 整理ppt14 氣氣 體體 傳傳 感感 器器 14.1 概述概述 氣體傳感器是將被測氣體濃度轉換為與其一定關系的電量氣體傳感器是將被測氣體濃度轉換為與其一定關系的電量輸出的裝置或器件。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。氣體傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。 由于氣體種類繁多由于氣體種類繁多, 性質各不相同，不可能用一種傳感器檢性質各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，按構成氣體傳感器材料可分為半導體和非測所有類別的氣體，按構成氣體傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體兩大類。目前

2、實際使用最多的是半導體氣體傳感器。半導體氣體傳感器。 整理ppt 半導體氣體傳感器是利用待測氣體與半導體表面接半導體氣體傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，觸時， 產(chǎn)生的電導率等物理性質變化產(chǎn)生的電導率等物理性質變化來檢測氣體的。來檢測氣體的。n按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部，可分為體表面或深入到半導體內部，可分為表面控制型和體控表面控制型和體控制型。制型。n表面控制型：表面控制型：半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結果使半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化，電子接

3、受，結果使半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化，但內部化學組成不變；但內部化學組成不變；n體控制型：體控制型：半導體與氣體的反應，使半導體內部組成半導體與氣體的反應，使半導體內部組成發(fā)生變化，而使電導率變化。發(fā)生變化，而使電導率變化。14.2 半導體氣體傳感器。半導體氣體傳感器。 整理pptn按照半導體變化的物理特性，又可分為按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型和非電阻型。電阻型。n電阻型半導體氣敏元件電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；n非電阻型半導體氣敏元件非電阻型半導體氣敏元

4、件是利用其它參數(shù)，如二極是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。被測氣體的。14.2 半導體氣體傳感器。半導體氣體傳感器。 整理ppt14.2.1 半導體氣體傳感器的機理半導體氣體傳感器的機理u半導體氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應半導體氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。導致敏感元件阻值變化而制成的。u當當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失

5、去運動能量，吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，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（化學吸附）。附處（化學吸附）。當當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲氣體的吸附和滲透特性透特性)時，時， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附， 半導體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負離子吸附傾向的半導體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體被稱為氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體氧化型氣體或電子接收

6、性氣體。如果如果半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向，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的氣體有H2、CO、碳氫化合物和醇類，它們被、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣稱為還原型氣體或電子供給性氣體體或電子供給性氣體。整理pptu當氧化型氣體吸附到當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到型半導體上，還原型氣體吸附到P型半型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使半導體導體上時，將使半導體載流子減少，而使半導體電阻值增大電阻值增大。當還原型氣體吸附到當還

7、原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導型半導體上時，則載流子增多，使半導體體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降電阻值下降。u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，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化也將變化。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。種類和濃度。uN型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。整理ppt圖圖 14-1 N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖 10

8、0550加熱開關大氣中2min4min吸氣時還原型氧化型穩(wěn)定狀態(tài)器件加熱響應時間約1min以內器件電阻/k整理ppt14.2.2半導體氣體傳感器類型及結構半導體氣體傳感器類型及結構 1. 電阻型半導體氣體傳感器電阻型半導體氣體傳感器SnO2系列氣敏元件有系列氣敏元件有燒結型燒結型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三種。燒結型應三種。燒結型應用最廣泛性。用最廣泛性。圖圖14-2 半導體氣體傳感器的敏感元件半導體氣體傳感器的敏感元件(a) 燒結型元件；燒結型元件； (b) 薄膜型元件薄膜型元件整理ppt330.5(單位:mm)7(c)氧化鋁基片Pt電極氧化物半導體器件加熱用的加熱器(印制厚膜電阻)(c

9、) 厚膜型元件厚膜型元件 整理ppt10燒結型燒結型SnOSnO2 2氣敏元件氣敏元件 其敏感體用粒徑很小其敏感體用粒徑很小( (平均粒徑平均粒徑m) )的的SnO2粉體為基本材粉體為基本材料，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。主要用于檢測檢測可燃的還原性可燃的還原性氣體，其工作溫度約氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分。根據(jù)加熱方式，分為為直接加熱式直接加熱式和和旁熱式旁熱式兩種兩種。（1）直接加熱式）直接加熱式SnO2氣敏元件氣敏元件(直熱式氣敏元件直熱式氣敏元件)直接加熱式氣敏器件結構及符號1234SnO2燒結體加熱

10、極兼電極(a)結構4321(b)符號l由芯片由芯片( (敏感體和加熱器敏感體和加熱器) )，基，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。l因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相量電路與加熱電路間易相互干互干擾，加熱器與擾，加熱器與SnO2基體間由于基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導致接觸熱膨脹系數(shù)的差異而導致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。很少使用。整理ppt11（2）旁熱式）旁熱式SnO2氣敏元件氣敏元件加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結構及符號SnO2燒結體123456（a）結構（b

11、）符號7100目不銹鋼網(wǎng)18.412312345674545氣敏元件外形和引出線分布整理ppt 2. 非電阻型半導體氣體傳感器非電阻型半導體氣體傳感器u非電阻型氣敏器件也是半導體氣體傳感器之一。它是利用非電阻型氣敏器件也是半導體氣體傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容二極管的電容電壓特性的變化電壓特性的變化以及以及MOS場效應晶體管場效應晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。等物性而制成的氣敏元件。u由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能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)定且價格便宜。穩(wěn)定且價格便宜。 利用特定材料還可

12、以使器件對某些氣體特別利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。敏感。 整理ppt (1) MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件 MOS二極管氣敏元件制作過程是在二極管氣敏元件制作過程是在P型半導體硅片上，利用型半導體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為熱氧化工藝生成一層厚度為50100nm的二氧化硅的二氧化硅(SiO2)層，然層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖的金屬薄膜，作為柵電極，如圖14-5(a)所示。所示。圖14-5MOS二極管結構和等效電路(a)結構；(b)等效電路；(c)C-U特性M(Pd)SiO2PSiCaCsCOV空氣中(a)(b

13、)(c)氫氣中整理ppt (2)MOS場效應晶體管氣敏器件場效應晶體管氣敏器件 鈀鈀-MOS場效應晶體管場效應晶體管(Pd-MOSFET)的結構，的結構， 參見圖參見圖14-6。圖14-6鈀MOS場效應晶體管的結構PSiNNAlSiO2DSPd柵2()DGTIUUl ：常數(shù)：常數(shù)lUG：柵壓：柵壓lUT：ID是流過時的最小是流過時的最小臨界電壓值臨界電壓值漏極電流：漏極電流：在鈀在鈀MOS場效應管中，場效應管中，UT會隨空氣中所含氫氣會隨空氣中所含氫氣濃度的增高而降低。濃度的增高而降低。整理ppt1514.3 半導體氣敏元件的特性參數(shù)半導體氣敏元件的特性參數(shù) （1 1）氣敏元件的電阻值）氣敏元

14、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，稱為氣敏元件元件(電阻型電阻型)的固有電阻值，表示為的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在。一般其固有電阻值在(10103 310105 5)范圍。范圍。 測定固有電阻值測定固有電阻值時時, 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，

15、其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣測定，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)境中進行測量。環(huán)境中進行測量。整理ppt16（2）氣敏元件的靈敏度）氣敏元件的靈敏度 表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。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系。表示方法有三種度之間的依從關系。表示方法有三種 （a a）電阻比靈敏度）電阻比靈敏度K K（b b）氣體分離度）氣體分離度R RC1C1氣敏元件在濃度為氣敏元件在濃度為C1

16、C1的被測氣體中的阻值：的被測氣體中的阻值： R R2 2氣敏元件在濃度為氣敏元件在濃度為C2C2的被測氣體中的阻值。的被測氣體中的阻值。通常，通常，C C1 1C C2 2。（c c）輸出電壓比靈敏度）輸出電壓比靈敏度K KV VV Va a: :氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；V Vg g: :氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出 gaVVVK 21CCRRRa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gaRRK 整理pp

17、t17（4）氣敏元件的響應時間）氣敏元件的響應時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表示。表示。 agiaggigVVVVVVS （3）氣敏元件的分辨率）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的

18、識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率能力。氣敏元件分辨率S表示為表示為Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負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，負載電阻上的電壓氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓Vgi氣敏元件在氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓整理ppt18（5 5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在氣敏元件一般工作在200200以

19、上高溫。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( (指加熱器指加熱器的電阻值的電阻值) )稱為加熱電阻，用稱為加熱電阻，用R RH H表示。直熱式的加熱電阻值一般表示。直熱式的加熱電阻值一般小于小于55；旁熱式的加熱電阻大于；旁熱式的加熱電阻大于2020。 氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用用表示。一般在表示。一般在(0.5(0.52.0)2.0)W范圍。范圍。 （6）氣敏元件的恢復時間）氣敏元件的恢復時間 表示在工作溫度下表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度

20、被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復到在潔凈空氣中直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的阻值的63時所需時間。時所需時間。整理ppt19（7）初期穩(wěn)定時間）初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件, ,因表面吸附空氣中的水因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體分或者其他氣體, ,導致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后導致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后, ,隨著隨著元件溫度的升高元件溫度的升高, ,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此, ,使氣敏元件恢復正常工作使氣敏元件恢復正常工作狀態(tài)狀態(tài), ,需要一定的時間需要一定的時間, ,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。 一般電阻型氣敏元件一般電阻型氣敏元件, ,在剛通電的瞬間在剛通電的瞬間, ,其電阻值將