半导体气敏传感器
更新时间：2011-05-27 08:50
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半导体传感器是一种采用半导体气敏为主要使用材料的传感装置，它利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度。并且，它具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
半导体气敏传感器的由来
- 气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。
半导体气敏传感器的分类
半导体气敏传感器有多种分类方法，主要一种是将其分为两类—电导控制型气敏传感器和电压控制气敏传感器。其中电导控制型一般以金属氧化物半导体材料如SnO、ZnO、FeO系为基体，加入合适的催化金属和添加剂，采用烧结、厚膜或薄膜工艺制成。
半导体气敏传感器包括硫化氢气敏传感器和一氧化碳气敏传感器两个敏感器件。硫化氢气敏传感器是采用MOS场效应晶体管结构,利用过渡金属作栅极的气敏元件,当空气中存在硫化氢时,场效应晶体管的开启电压发生变化,变化的幅度与硫化氢的浓度成比例。一氧化碳气敏传感器是利用以二氧化锡为基体的铂－锑－二氧化锡敏感材料制成的表面电阻控制型敏感器件,当空气中有微量的一氧化碳存在时,器件的电阻急剧下降。该两种敏感器件灵敏度均≤10ppm;响应时间均≤0秒;感应时间均≤1秒。
半导体气敏传感器的元件
1、接触燃烧式气敏元件
2、金属氧化物半导体气敏元件
3、氧化锆气敏元件
半导体气敏传感器的原理
当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，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。具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON,等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则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,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体。
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型材料有SnO2、ZnO、TiO型等，P材料有MoO2、CrO3等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气将使半导体载流子减少，而使电阻值增大;相反，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，使半导体电阻值下降。例如: SnO2金属氧化物半导体气敏元件，在200-300度时吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其阻值增加。而当遇到有能供给电子的还原型气体（如CO等)时，原来吸附的氧脱附，而以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值回升到初始状态。
空气中的氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。
气敏元件在工作时都需要加热，其目的是加速气体吸附、脱出的过程，提高器件的灵敏度和反应速度;烧去附着在探测部分的油雾、尘埃等污物，起清洁作用;控制不同的加热温度，可以增强对被测气体的选择性，在实际工作时一般要加热到200-400度。
半导体气敏传感器的发展
气味检测是半导体气敏传感器扩大应用的主流方向之一，最有潜力的应用领域是食品工业和医学，还有家住环境和舒适度的调节系统等。在开发味敏传感器方面取得的主要成就是在改进提高敏感材料的灵敏度和选择性方面，针对气味的特征成分，使用了各种掺杂剂，以适应不同的需要。典型的刺激性气味的主要组分是三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA)，以及氨气对TMA和DMA敏感的气敏传感器被用来鉴别鱼类的新鲜程度。
在开发专为检测多种混合气体中的一种气体成分的传感器时有相当的难度，因为很难使气敏传感器具有一个理想的选择性。此外，在有些场合还需要分别鉴别出混合气体中的各个成分。后一种情况可以用几个不同的传感器组成的系统，配以对它们取得的信息作仔细地处理的办法解决。这类系统的方框图示于图。取决于系统的设计目标(检测其中一种，还是所有成分)，可以采用高选择性传感器，也可以选用具有部分交叉选择性的传感器。第一种选择时，每一只传感器只对混合气中某一种成分敏感。如果混合气中含有的气体组分数量多于设计的传感器数目时，该系统就没有能力鉴别所有的组成气体。当然，那些只对一种成分敏感的传感器，应是在它工作时能够不受其他气体组成影响的。但是，现实情况是，大多数传感器不是只对某种特定气体敏感，而是对一类气体(例如还原性气体，或者是氧化性气体等)敏感。
当混合气体中的组成成分不能被分别直接测定时，还可以利用微处理器，由它将从各传感器那里获取的信息进行二级处理。然后使用模式识别方法进行气体性质分析。最常用的气敏传感器信号二级处理方法汇列如下：
线性回归 偏微分最小二乘方
多重线性回归 顺序淹没因素分析
背景情况鉴别 人工神经网络
半导体气敏传感器的参数
1）工作电压：5VDC
2）静态功耗：≤15mW
3）工作温度：－10℃~50℃
4）相对湿度：≤95%
5）初期稳定时间：≤3min.
6）检测浓度范围：0~2000ppm（一氧化碳）
