气体传感器PPT演示文稿

将金属与半导体结合做成整流二
级管，其整流作用来源于金属和半导 体功函数的差异，随着功函数因吸附 气体而变化，其整流作用也随之变化
在常温下选择性地对硅烷 响应，灵敏度高。
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2.2.1 结型气敏器件
MOS二级管气敏元件
利用MOS二极管的电容-电压特性的变化
M(P d)
SiO2 P—Si
C
Ca Cs
O
(a)
多采用烧结工艺，以多孔SnO2陶瓷为基底材料，再添加不同 的其他物质，用制陶工艺烧结而成，烧结时埋入加热电阻丝和测 量电极。此外，还有薄膜型与厚膜型两种工艺。
烧结型
电极(铂丝) 氧化物半导体
加热 器 玻璃(尺寸 约1 mm，也有 全为
半导 体的 ) (a)
半导 体 0.5 mm 电极
厚膜型
பைடு நூலகம்
3 mm
0.6 mm
4e
4e
上述反应的电动势用能斯特方程表示：
+-
浓差电池原理
ERlT n P O 2(1 ) 或 E ＝ 0 .04 Tl9n P O 6 2(1 )
nFP O 2(2 )
P O 2(2 )
应用实例见教材
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3 固体电解质气体传感器
接触燃烧式气体传感器*
原理： 可燃性气体与空气中的氧接触，发生氧化反应,产生反应热，使
加热器 电极 3 mm
绝缘 基片
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(b)
2.1 电阻型半导体气敏器件
ZnO 系气敏元件
原理和SnO2相似，有烧结型、厚膜型、薄膜型
其他气敏元件
WO3系气敏元件：在石英底上蒸上一层Pt-Au,再蒸发上一层薄 W，通过热氧化作用使之转化成WO3。
非晶态 SiO2： 掺杂Fe2+离子
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2.1 电阻型半导体气敏器件
RF
T
H C
•
Q C
E kmB
RF2 R F1
E kmB
A、B间的电位差E与可燃性气体 的浓度m成正比
工作原理：
SnO2和空气中电子亲和性大的气体 发生反应，形成吸附氧束缚晶体中的电 子，使器件处于高阻状态；
与被测气体接触，与吸附氧发生反应; 元件表面电导增加，电阻减小。 提高器件的选择性和灵敏度的措施：参 杂改善前者，设置合适的工作温度、改 进制备工艺可改善后者。
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2.1 电阻型半导体气敏器件
SnO2气敏元件工艺：
得作为敏感材料的铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻 值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温度的关系具有良好的 线性关系。
F1是气敏元件，F2是补偿元件， 当F1与气体接触时，产生氧化作用， 释放热量，使气敏元件温度上升，电 阻增大，电桥不再平衡，A、B间产生 电位差E。
接触燃烧式气敏元件的检测电路
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接触燃烧式气体传感器
E
E
0
(
R
(R F F1
1 RF
R 2
F
) R
F
)
R2 R1 R 2
E
E
0
(
R
1
R1 R 2 )( R F 1
R
F
2
)
R R
F F
2 1
R
F
E
k
RF2 R F1
R F
令 k E 0 R 1 /( R 1 R 2 )( R F 1 R F 2 ) ， 则
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2.2.2 MOSFET型气敏器件
氢气敏MOSFET是一种最典型的气敏器件，它用金属钯(Pd) 制成钯栅。在含有氢气的气氛中，由于钯的催化作用，氢气分子 分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致MOSFET的 阈值电压UT发生变化。使用时常将栅漏短接，可以保证MOSFET
工作在饱和区，此时的漏极电流 ID(UGS UT)2 ，利用这一
气体传感器
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1 概述
分类：
半导体式
固体电解质式 气体传感器 接触燃烧式
电化学式 高分子式 集成复合式
其他
基本性能要求：
电阻型
表面控制型 体控制型
非电阻型
结型：ISFET 电容型
浓差电池型；界限电流型
离子电极型；定电位电解 型；伽伐尼电池型
热传导型；晶体振荡型； 红外吸收型；光导纤维 型；光干涉化学发光型
2. 工作于高温下、选择性较差、元件 参数分散、稳定性不理想、功率要 求高、当探测气体中混有硫化物时 容易中毒。
器 件加 热
稳 定状 态
2 m in 4 m in 大 气中
响 应 时 间 约 1 m in以 氧 化型 还 原型
吸 气时
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2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.1 结型气敏器件
结型气敏器件又称气敏二极管，是利用气体改变 二极管的整流特性。
当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液 中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。
高浓度氧 O2
低浓度氧 O2
设电极的氧分压分别为PO2 (1)、PO2 (2) ，则
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
选择性；重复性；实时性。
2
2 半导体气敏器件
2.1 电阻型半导体气敏器件
吸附S某nO种2、气Z体n时O、会F引e2起O3电等导材率料的存变在化气。敏效应，当表面 作为传感器，还要求这种反应必须是可逆的。
SnO2
ZnO
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2.1 电阻型半导体气敏器件
SnO2气敏元件特点：
工作温度低；输出信号大，无需高倍放大；应用范围最广
电路可以测出氢气浓度。
氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性
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3 固体电解质气体传感器
固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，
(b)
a b
V (c)
Schottky二极管
通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层 无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金 属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。
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2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.2 MOSFET型气敏器件
气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改 变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值 电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。
器 件 电 阻 / k
电阻型气体传感器的主要特性参数：
1. 固有电阻R0和工作电阻RS
10 0
2. 灵敏度S S＝ RS / R0
50
3. 响应时间T1
4. 恢复时间T2
5
5. 加热电阻RH和加热功率PH
加 热开 关
电阻型气体传感器优缺点：
1. 成本低、制造简单、灵敏度高、响 应快、寿命长、对湿度敏感低、电 路简单。