第七章 新型气体传感器及阵列..

还原性气体
Fe3+
Fe2+
吸附氧俘获电子，表层空穴 浓度进一步增加，表面层电 阻下降
吸附氧
原始态P型-MFe2O4
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7.2 气体传感器敏感机理
2. 能级生成理论
还原性气体 束缚空穴
给电子
R
N型半导体 （SnO 、ZnO等）
2
氧化性气体
给空穴
减少导带电子数
R
——国际著名传感器专家N. Yamazoe建立的氧化物半导体气体传感器的理论框架
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7.2 气体传感器敏感机理
半导体气体传感器四种模式的气敏机理 1. 整体原子价控制理论 2. 能级生成理论 3. 表面电荷层理论 4. 接触粒界势垒理论

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敏感材料与传感器 课程组
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7.2 气体传感器敏感机理
3. 表面电荷层理论
在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附 不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级空间电荷层。
从化学键模型角度，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价 键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施 主杂质和受主杂质。
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Leabharlann Baidu
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7.2 气体传感器敏感机理
1. 整体原子价控制理论

本理论适用于钙钛矿型原子 价控制复合氧化物； 用 ABO3 一般式来表示钛矿型 氧化物，其导电过程是通过B 元素与氧组成的三维网孔状 结构进行的； 气体的离解作用可以把网状 构造的某一部分切断，一旦 发生这种现象，复合氧化物 的电阻值将显著增加。
氧化性气体： 表面能级 气体分子 EF 还原性气体： EF 吸取电子 气体分子 提供电子
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阴离子 吸附
电荷层电导率
表面能级
阳离子 吸附
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电荷层电导率
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7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论

根据多晶半导体能带模型而提出
半导体 晶粒
晶粒界面：界面势垒
半导体 晶粒
第七章
新型气体传感器及阵列
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目 录
7.1 概 述
基础
7.2 气体传感器敏感机理 7.3 新型气体传感器及阵列
加深概念
领域前沿
科研思路
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敏感材料与传感器 课程组
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7.1 概 述
7.1.1气体传感器基本概念 7.1.2 气体传感器的分类
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从材料设计的角度揭示决定传感器性能的三个关键因素：
识别功能—待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附
比表面积、氧化活性、表面酸碱度等
转换功能—化学量向电学量（电阻）的转换能力
敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等
敏感体的利用效率 —在待测气氛中敏感体电阻
变化部分占整个敏感体的比率 敏感材料的多孔性、催化活性及待测气体的 扩散系数等
干 式
固体电介质式 （ZrO2）
一种以离子导体为 电解质的化学电池
气敏元件
当红外光通过待测气体时， 气体分子对特定波长的红 外光有吸收，通过光强的 变化测试气体浓度
红外线吸收式 导热率变化式（热线，热敏电阻）
湿 式
以固定电位电解式为代表 （极谱式，原电池式）
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7.2 气体传感器敏感机理
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7.2 气体传感器敏感机理
若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，
则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。
具有这种性质的气体称为氧化性气体，例如，O2，NOx等。
若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被
吸气体将把电子给予元件而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸 附性质的气体称为还原性气体，如H2，CO, HC和乙醇等。
7.3.1 有机/无机纳米复合薄膜气体传感器的
导带 多晶硅薄膜SEM图 禁带 价带
N型半导体
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7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论
晶粒界面
半导体 晶粒 半导体 晶粒
电子接受型 气体：O2
半导体 晶粒
晶粒界面
半导体 晶粒
导带 禁带 价带
氧化性气体 吸取电子
导带
++
++
禁带 价带
势垒
N型半导体
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7.1.1 气体传感器基本概念 气体传感器：是指能将被测气体浓度转换为 与其成一定关系的电量输出的装置或器件。
‫ګ‬
‫ګ‬
‫ګ‬ ‫ګ‬ ‫ګ‬
体积小
灵敏度高
携带方便
智能程度高
可远距离探测
‫ګ‬
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……
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7.1.1 气体传感器基本概念
气体传感器必须满足下列条件：
气体传感器必须满足下列条件：
对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；
交叉敏问题
电子鼻
性能长期稳定性好；
氧气、水汽、灰尘等影响
响应迅速、重复性好； 维护方便、价格便宜等。
封装
标准的TO-5金属封装
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7.1.2 气体传感器的分类
接触燃烧式 基于强催化剂使气体在传感器表面燃 烧产生热量，使传感器温度上升，导 致贵金属电极电导随之变化。 半 导 体 式 半导体陶瓷型 厚膜型 薄膜和微粒子型
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7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论
晶粒界面
半导体 晶粒 半导体 晶粒
电子供给型 气体：NH3
半导体 晶粒
晶粒界面
半导体 晶粒
导带 禁带 价带
还原性气体 提供电子
导带
势垒
++
++ 禁带
价带
N型半导体
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7.3 新型气体传感器及阵列
能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓 度和其它基准设定浓度；并能及时给出报警、显示和控 制信号；
ppm：parts per million 1ppm=1mg/kg=1mg/L =1×10-6 1ppb= 1×10-9
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7.1.1 气体传感器基本概念
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BaTiO3的晶体结构示意图
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7.2 气体传感器敏感机理
1. 整体原子价控制理论
铁酸盐复合氧化物（P-MFe2O4）的气敏机理模型
表面Fe3+被还原成Fe2+，由于还 原性气体的离解作用，使晶体 结构中的电价配置和缺陷发生 变化，导电的三维网络某一部 分被切断，电阻升高