半导体气体传感器简介2010.03.05

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半导体气体传感器简介
主讲:祁明锋
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一. 传感器的基本概念 二. 半导体气体传感器 三. 炜盛半导体气体传感器简介 四. 费加罗半导体气体传感器简介 五. 新型半导体气体传感器简介
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一.传感器的基本概念
二. 半导体气体传感器 三. 炜盛半导体气体传感器简介 四. 费加罗半导体气体传感器简介
基于阵列的智能气体传感器(CO、H2S、NO2、酒精、可燃气体等)
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4、半导体传感器的典型结构
图3(a)管状旁热式
图3(b)直热式
图3(c)常温式
图3 (d)平面旁热式
当加热器与半导体材料为隔离状态时,这一类结构的传感
器就是旁热式气体传感器,旁热式又可分为管状旁热式和 平面旁热式两种;
SAW气体传感器
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陶瓷管式传感器结构图
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微珠式传感器结构图
直热式传感器结构图 自加热式传感器结构图
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厚膜平面式传感器结构图
MEMS半导体气体传感器结构图
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微型气体传感器芯片
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智能气体传感器
封装后的气体传感器阵列
智能CO气体传感器
五. 新型半导体气体传感器简介
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一、传感器基本概念
1、什么是传感器?
能够采集信息并把采集到的信息转化为人们更易识别的 信号(如电号、声信号、光信号、数字信号等),凡是具有 这种功能的部件或装置,统称为传感器。
2、什么是气体传感器?
能够采集气体的某些信息(如:浓度、种类)并把采集 到的信息转化为人们更易识别的信号(如电信号、声信号、 光信号、数字信号等),凡是具有这种功能的部件或装置, 就是气体传感器。
稳 定 稳 定 10年 以 上 , 长 期 再 现 性 良 0.4 性 ---好 报 日本 警 0.3 浓 0.2 KHK 度 0.1 调查 % 0 (1986) 0 1 2 3 4 5
• • •
ppm:百万分之一。
ppb:十亿分之一。
mg/m3转换为ppm:1 mg/m3=(22.4/M)*(273+t)/273ppm M:相对分子量,t:环境温度(℃)
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• 3 选择性:指传感器对气体种类的识别能力。在完全未知 的气体环境中(即完全不知道环境中有哪几种气体)传感 器不能告诉人们探测到的是什么气体,即半导体式的气体
通电瞬间传感器敏感体的电阻会急剧下降,后逐渐变大至
稳定,整个过程所需要的时间取决于存放环境以及冷置时 间的长短,在洁净环境中存放时间不超过10天时初始稳定 时间会在30分钟以内,其它情况下应不少于48小时。
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• 功耗 :半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度,器件 的功耗与敏感材料、元件结构及所要检测的气体种类密切相关。一般
图1-晶粒间势垒模型(洁净空气)
图2-晶粒间势垒模型(还原性气体出 现时)
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3、气体传感器的应用领域
●检测有害气体●净化空气质量●创造舒适环境
家 用 气 体 报 警 器
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硅基微热板式 气体传感器
传统的陶瓷 管烧结型气 体传感器
Al2O3基气体传感器
QCM气体传感器
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半导体与接触燃烧传感器的对比
半导体式
结构
催化燃烧式
原理 特性 气体吸附引起半导体电阻变化 气体浓度对数和传感器电阻 对数呈线性,检测浓度范围广
传感器 电阻 对数 空气 气体 气体浓度对数
气体燃烧热引起白金丝电阻变 化 气体浓度和传感器输出呈线性 低浓度检测困难
传感器 输出 气体浓度 气体
当加热器与半导体材料直接接触时,这一类结构的传感器
即为直热式气体传感器;
不需要附加加热器的传感器就是自加热式气体传感器。
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半导体传感器的设计依据
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5、半导体元件的气敏特性
A、初始恢复特性
生产老化一般为10天; 使用前老化一般在几十分钟到48 小时不等

初始恢复特性
传感器不具有本质的选择性;在已知的气体环境里(即人
们知道要探测环境里存在哪些气体)可实现相对的选择性 探测。如GB15322规定,可燃性气体探测器在1000ppm乙 醇蒸气中浸泡10分钟不得发出警报信号,即是基于在家庭 环境最常见的干扰气体就是乙醇。
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• 初始稳定特性:传感器出厂之前都要通过较长时间的老化 以使其各项性能趋于稳定。老化后的传感器在经过冷置以 后,无论时间长短,在上机调试前,都必须经过一定时间 (一般在几十分钟到48小时不等)的老化预热,传感器的 各项性能才会重新稳定下来。经过冷置存放后的传感器,
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二、半导体气体传感器
1、半导体气体传感器的起源
半导体气敏材料的发展可追溯到1931年,P.Braver等
发现CuO的电导率随水蒸气的吸附而改变。1948年J.Gray 发现CuO2薄膜在200度左右存在气敏性,而200度以下却没
有。1962年日本清山哲郎与田口尚义等对ZnO、SnO2薄膜
的开创性研究,使气敏材料和传感器才真正发展起来。
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2、半导体气体传感器的工作原理
金属氧化物半导体在空气中被加热到一 定温度时,氧原子被吸附在带负电荷的半导 体表面,半导体表面的电子会被转移到吸附 氧上,氧原子就变成了氧负离子,同时在半 导体表面形成一个正的空间电荷层,导致表 面势垒升高,从而阻碍电子流动(见图1) 在敏感材料内部,自由电子必须穿过金属氧 化物半导体微晶粒的结合部位(晶界)才能 形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于 晶界而阻碍电子的自由流动,传感器的电阻 即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇 到还原性气体时,氧负离子因与还原性气体 发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低, 势垒随之降低(见图2)导致传感器的阻值减 小。
体积小,功耗小,但是,敏感体材料易与引线接触不良,加热与测试
信号易交叉,因此,稳定性次于旁热式元件;自加热元件体积小,功 耗低,使用方便,稳定性较差。
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一. 传感器的基本概念
二.半导体气体传感器
三. 炜盛半导体气体传感器简介 四. 费加罗半导体气体传感器简介
五. 新型半导体气体传感器简介
2.5 2 1.5 1 0.5 0
0 20 40 60 80 秒
图5旁热式元件的灵敏度曲线
V
V
MQ-4S甲烷灵敏度特性 MQ-4 甲烷灵敏度特性
MQ-4S对甲烷的响应恢复曲线 MQ-4 甲烷响应恢复曲线
V
3
图6旁热式元件的响应恢复曲线
1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
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7、半导体气体传感器使用注意事项
必须避免的情况 1.1 暴露于有机硅蒸气中:如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气,传感器的敏感 材料会被包裹住,抑制传感器的敏感性,幵且不可恢复。传感器要避免暴露 其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。 1.2 高腐蚀性的环境:传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体(如H2S,SOX,Cl2,HCl 等)中,不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏,幵会引起敏感材 料性能发生不可逆的改变。 1.3 碱、碱金属盐、卤素的污染:传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后,及暴露 在卤素如氟中也会引起性能劣变。 1.4 接触到水:溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。 1.5 结冰:水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。 1.6 施加电压过高:如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值,即使传感器 没有受到物理损坏或破坏,也会造成引线和/或加热器损坏,幵引起传感器 敏感特性下降。 1.7 电压加错管脚
-10 0 10
3.5 3 2.5
MQ-4
33%RH 85%RH
1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 月
Rs/Ro
2
20
Temp
30
40
50
图7旁热式元件长期稳定性曲线
图8 旁热式元件温湿度特性曲线
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6、 半导体气体传感器的应用特点
适用领域:工业、家用领域中爆炸下限内气体的半定量、定性检测; 灵敏度:输出信号较大,一般以“V”为单位 相应恢复特性:一般响应时间小于10s,恢复时间小于30s; 选择性:不具有本质的选择性,只可显示差异; 功耗:半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度,器件的功耗 与敏感材料、元件结构及所要检测的气体种类密切相关。常规旁热式元件的 功耗约750-850mw,平面半导体元件200-450mw,直热式元件及常温元件功耗 一般小于250mw; 线性:浓度与灵敏度呈指数关系,会出现饱和现象。 稳定性:环境氧浓度的变化、水对表面活性位的占据、环境温度的变化、干扰 气体的影响、传感器敏感材料本身物理性质(颗粒)的变化等都会引起传感 器特性的变化。 寿命:寿命一般会超过5年,除机械性损伤造成的传感器失效外;
350 300 250 200 150 100 50 0
经过冷置存放后的传感器,通电
瞬间传感器敏感体的电阻会急剧
下降,后逐渐变大至稳定 过程所需要的时间取决于存放环 境以及冷置时间的长短
0
2
4
6

8
10
12
图4 半导体元件初始恢复特性曲线
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B、响应、恢复特性与稳定性
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 %vol 4 5 6
情况下旁热式元件的功耗会大一些(管式元件约750-900mW,平面元
件不超过400mW),直热式元件(除三氧化二铁元件外)及自加热元 件功耗要小一些(一般小于250mW)。功耗对便携式仪器来讲是一个
重要指标。
• 不同结构的半导体气敏器件的差异:旁热式元件有更好的稳定性,敏 感体材料与引线接触的更紧密,信号不交叉,但功耗大;直热式元件
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• • • • •
尽可能避免的情况 凝结水:在室内使用,轻微凝结水对传感器性能会产生轻微影响。但是如 水凝结在敏感元件表面幵保持一段时间,传感器特性则会下降。 处于高浓度气体中:无论传感器是否通电,在高浓度气体中长期放置,都 会影响传感器特性。 长期贮存:传感器在不通电情况下长时间贮存,其电阻会产生可逆性漂移, 这种漂移与贮存环境有关。传感器应贮存在有清洁空气不含硅胶的密封袋 中。经长期不通电贮存的传感器,在使用前需要长时间通电以使其达到稳 定。 长期暴露在极端环境中:无论传感器是否通电,长时间暴露在极端条件下, 如高湿、高温、或高污染等极端条件,传感器性能将受到严重影响。 振动:频繁、过度振动会导致敏感元件引线产生共振而断裂。在运输途中 及组装线上使用气动改锥/超声波焊接机会产生这种振动。 冲击:如果传感器受到强烈冲击会导致其引线断线。 使用:对传感器来说手工焊接是最理想的焊接方式。 使用波峰焊是应满足以下条件: 助焊剂:含氯最少的松香助焊剂 速度:1-2米/分钟 预热温度:100±20℃ 焊接温度:250±10℃ 1次通过波峰焊机
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3、气体传感器的分类
气体传感器分类:
化学类气体传感器:半导体气体传感器、催化
燃烧气体传感器、电化学气体传感器,热线气 体传感器等。
物理类气体传感器:光电传感器、热电传感器、
压电传感器、磁电传感器、气电传感器、波式 和射线射线传感器等。
4、气体传感器常用术语
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灵敏度:元件在规定的工作条件下,其在一定的气体浓度下的输出(电压、电流、电阻等, 下同)与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值。 响应时间:传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时,其输出变化达到稳定值的规定的百分 比(一般为70%或90%)时所需的时间。 选择性:指传感器对气体种类的识别能力。 稳定性:在规定的工作条件下和一定的工作周期内,传感器的输出变化不超过允许误差的 能力。 线性度:传感器的实际输出值曲线与某一规定直线的偏离程度。 初始稳定特性:传感器在存放后重新开始工作时初始输出达到稳定的时间。 寿命:在一定的工作条件下,传感器的输出变化超过允许误差的时间。 零点:传感器在洁净空气或参比气体中在规定工作条件下的输出值。 灵敏度漂移:传感器在规定的工作条件下其灵敏度的变化。 分辩率:传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。 12 爆炸下限:可燃性气体、蒸气或粉尘与空气组成的混合物能使火焰传播的最低浓度称为 该气体或蒸气的爆炸下限。
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