一种检测乙醇浓度的气敏传感器的制作

基金项目:国家自然科学基金项目(50405033;50575078)

收稿日期:2005-10-31 收修改稿日期:2006-06-09

一种检测乙醇浓度的气敏传感器的制作

来五星,王　聪,李晓平,史铁林

(华中科技大学　微系统中心,湖北　武汉　430074)

摘要:在汽车电子行业,乙醇气敏传感器可用来检测司机的酒精含量,避免事故的发生。因为二氧化锡(SnO 2)具有较高的灵敏度、且最高灵敏度对应的工作温度较低、电路简单、造价低廉、使用方便等特点。基于薄膜工艺开发了硅基二氧化锡薄膜为感应薄膜的乙醇气敏传感器,介绍了乙醇气敏传感器的工作原理,在比较两种薄膜结构的基础上,深入探讨硅基二氧化锡薄膜制作工艺,并对薄膜性能进行了定量分析,为乙醇气敏传感器制作提供了一种好的思路。关键词:传感器;乙醇;薄膜;工艺

中图分类号:TB381;TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)09-0008-02

FactureofGasSensortoTestAlcoholConsistence

LAIWu 2xing,WANGCong,LIXiao 2ping,SHITie 2lin

(CenterofMEMSofHuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan

430074,China)

Abstract:Intheautomobileelectronicsindustry,alcoholgassensorscouldbeusedtodetectdriversandavoidaccidents.Becausetin dioxide (SnO 2)withcharacteristicsofhighersensitivity,thehighestsensitivityhavingcorrespondinglylowworkingtemperature,simplecir 2cuit,lowcost,user 2friendlyoperation.DevelopsaprocesstofactureSnO

2filmbasedonthesiliconunderlayassensorfilmofthealcoholgas

sensor,indetailsintroducesitsprinciple,onthebasisofcompareoftwofilmstructures,deeplydiscussestheprocesstofactureSnO 2

film

basedonthesiliconunderlay,andanalysisquantitativelythefilmfeature,putforwardawayoffactureofalcoholgassensors.Keywords:sensor;alcohol;film;processing 0　引言

开发乙醇气敏传感器应用于汽车电子具有很大的市场。在选用气敏半导体材料过程中,发现二氧化锡(SnO 2)具有较高的灵敏度,而且最高灵敏度对应工作温度较低、电路简单、造价低廉、使用方便等优点[1]。因此采用二氧化锡半导体材料,设计并制作了基于薄膜工艺的乙醇气敏传感器。

1　乙醇气敏传感器原理

二氧化锡薄膜气敏传感器属表面控制型,其表面电阻的变化决定于薄膜表面吸附气体与半导体材料之间的电子交换。通常感应薄膜工作环境是空气,空气中的氧电子兼容性较大,与半导体材料接触时吸附表面电子锁带的负电荷,使N 型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少,导致薄膜表面电导减少,于是薄膜表面处于高阻状态:

1

2O 2

+ne →O n -(1)

式中:O n -为吸附负电荷的氧;e 为氧束缚材料中的电子电荷;n 为若干个数。

一旦感应薄膜与被测气体接触,被测气体就会与薄膜表面吸附的氧发生化学反应。将被氧束缚的电子释放出来,例如检测气体为H 2和CO,感应薄膜表面电导增加、电阻减小:O n -+H 2

→H 2

O+ne

(2)O n -+CO →CO 2+ne

(3)

乙醇气敏传感器就是利用二氧化锡感应薄膜表面吸附乙

醇气体后表面电阻的变化来测试乙醇浓度。其原理是当N 型的二氧化锡膜被加热到一定温度后,其空穴中的电子将吸附在其表面的氧气分子变成带电状态(O 2-或者O 2-),此时气敏薄膜的电阻发生相应变化,该过程可以用式(4)表示:

O 2(gas )+2e

-

→2O -

(4)

经过该过程后二氧化锡薄膜才会对被测气体具有还原性敏感,通常将该过程称为敏感化过程;当敏感化后的二氧化锡薄膜接触到乙醇气体时,乙醇气体分子与SnO 2表面带电的氧离子发生如下反应:

C 2H 5OH (gas )+O

-

→2CH 3CHO (gas )+2H 2O (5)

从式(5)中可以看出,反应结束后电子重新回到SnO 2表面的空穴当中,于是二氧化锡薄膜的表面电阻再次发生变化,根据标定的数据可以推算乙醇气体的浓度[2-4]。

2　乙醇气敏传感器制作

乙醇气敏传感器包括乙醇感应二氧化锡薄膜、测试电路、加热电路3大模块;感应薄膜用于感应乙醇气体的浓度变化、加热电路用于加热感应薄膜到适当的工作温度、测试电路用于测量感应薄膜的电阻变化。

在研究过程中进行了两种结构的设计:一种是中空式结构设计;一种是双面式结构设计。比较两种结构设计,各有优缺点:中空式结构含有空腔,有效减小了工作面积,加热的部分相对较小,需要的功耗也小,其工作区域只需要3×10-4W 左右的功率就能够在5s 内由室温加热到350℃.而且其加热电路和检测电路都分布在顶部,在后期引线封装的时候比较方便,但缺点也明显:空腔结构膜层厚度比较薄,在加工和封装过程中

　2006年　第9期

仪表技术与传感器

Instrument Technique and Sensor 2006　

No 19