第十一章 气敏传感器

目前实际使用最多的是半导体气敏传感器，
早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用 不便已很少采用。
半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、
还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；
按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制 型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制型、
MOS器件）两种。
1.MOS二极管气敏元件
☺由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容CS是外加电
压的函数。其等效电路见下图8(b)。由等效电路可知，总电容C
也是栅偏压的函数，即MOS二极管的C – V特性。
☺由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的
功函数降低，导致MOS管的C – V特性向负偏压方向平移，如下
电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的
改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根 据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行 直接或间接检测。
SnO2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广泛
地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和 有害气体的检测。
图(c)所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。
2．钯 - MOS场效应晶体管气敏器件
钯 -MOS 场 效 应 晶 体 管 (Pd-MOSFET) 的 结 构 与 普 通
MOSFET结构主要区别在于栅极(G)：Pd-MOSFET的栅电 极材料是钯(Pd)；而普通MOSFFT为铝(A1)。因为Pd对H2 有很强的吸附性。
例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子 接收性气体。如果半导体的功函数小于吸附分子的离解能，吸附 分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附 倾向的气体有H2、CO、碳氢化含物和醇类，它们被称为还原型 气体或电子供给性气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体，还原型气体吸附到P型半 导体上时，将使半导体的载流子减少，而使电阻值增大；当还原 型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时， 则载流子增多，将使半导体电阻值下降。由于空气中的含氧量大 体上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对 固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性， 可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏器件 的响应时间一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P 型材料有MoO2、CrO3等。
半导体气敏元件分类
(半导体Fra Baidu bibliotek电阻型气敏传感器
一、电阻型半导体气敏材料的导电机理
半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化 和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。
当半导体器件被加热到稳定状态，气体接触半导体表 面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失 去运动能量。一部分被蒸发掉，另一部分残留分子产生 热分解而吸附在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分 子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)，则吸附分子将从 器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷 层。
Pd-MOSFET气敏器件就是利用H2在钯栅极上吸附后引
起阈值电压VT下降这一特性来检测H2的。由于这类器件特 性尚不够稳定，只能作H2的泄漏检测。
over
非常感谢您的认真听课！ 我们下次课再见！！
请认真预习下一次课程，并欢迎提出相关问题！
湿度对其特性有影响，所以便用时，通常需要加温度补偿。
2．ZnO(氧化锌)系气敏元件
非电阻型(电压控制型)气敏器件
非电阻型气敏器件是利用MOS二极管的电容 — 电压 特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值 电压的变化等物性而制成的气敏元件。
利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。
二、电阻型半导体气 敏传感器的结构 电阻型半导体气敏传感器 通常由气敏元件、加热器 和封装体等三部分组成。 从制造工艺上可分为烧结 型、薄膜型和厚膜型三类。
三、气敏器件的基本特性 在气敏材料SnO2中添加铂(Pt)或钯(Pd)等作为催化剂，
可以提高其灵敏度和对气体的选择性。
SnO2气敏元件易受环境温度和湿度的影响，上图给出了SnO2气 敏元件受环境温度、湿度影响的综合特性曲线。由于环境温度、
第十一章 气敏传感器
制作时间：2010.09.30 修改时间：2011.08.19
分类
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和
成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不 相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气 体，因此，能实现气 — 电转换的传感器种类
很多。按构成气敏传感器材料可分为半导体和 非半导体两大类。