半导体敏感元件气敏

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1、气敏传感器课程主要内容1.气敏传感器应用示例2.气敏传感器的分类3.气敏传感器的主要参数及特性4.金属氧化物的半导体化5.表面电阻控制型气体敏感元件6.体电阻控制型气体敏感元件7.非电阻型气体敏感元件8.基于MEMS技术的气体微传感器1.气体传感器应用示例汽车尾气分析酒精检测一氧化碳传感器可燃性气体传感器外形2.气敏传感器的分类气敏传感器表面控制型容积控制型燃烧热表面电位整流特性阈值电压电阻型非电阻型浓差电极合成电位恒电位电解池氧电极半导体式电化学式接触燃烧式固体电解质式半导体气敏元件的分类电导控

2、制型，以金属氧化物为主。电压控制型，以硅为主2.气敏传感器的分类3.气敏传感器的主要参数及特性(a)灵敏度：对气体的敏感程度；(b)响应时间：对被测气体浓度的响应速度;(c)选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力;(d)稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力;(e)温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性;(f)湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性；(g)电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而

3、变化的特性;(h)时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性。实际应用对气敏传感器的要求:3.气敏传感器的主要参数及特性(a)具有良好的选择性；(b)具有较高的灵敏度和宽响应动态范围；(c)性能稳定；(d)响应速度快，重复性好;(e)保养简单，价格便宜。4.金属氧化物的半导体化人为在金属氧化物能带结构的禁带中形成或增加附加能级的过程称为金属氧化物的半导体化。MO晶体中的缺陷电离能E1电离能E2电离能E3电离能E44.金属氧化物的半导

4、体化氧空位起施主作用金属空位起受主作用对于间隙原子对于反结构缺陷，共价键化合物中，O替代M时，电离产生电子形成施主能级。对于反结构缺陷，共价键化合物中，M替代O时，电离产生空穴形成受主能级。4.金属氧化物的半导体化金属起施主作用氧起受主作用外来杂质F，如果是间隙，金属为施主，电负性大的为受主，如果是替位，分2两种情况：（1）替代M，化合价大于M，有剩余电子被激发出去，形成施主能级，化合价小，形成受主能级。（2）替代O时，化合价大，起受主作用，化合价小，起施主作用。金属氧化物电学性质控制控制金属氧化

5、物导电类型和电阻率等电学性质就变成了控制晶体中杂质和缺陷的种类和数量。当在金属氧化物形成Vo后，电离时提供电子即形成施主能级，使材料成为N型2种方法控制电阻率a.掺入不同化合价的杂质原子；b.控制氧化物化学剂量比偏离方向和程度。4.金属氧化物的半导体化5.表面电阻控制型气体敏感元件5.1材料主要有：SnO2和ZnOSnO2的基本性质白色粉末，不溶于水，能溶于热强酸和碱。SnO2晶体结构属于四方晶系，具有金红石型结构；经实验发现，多晶SnO2对多种气体具有气敏特性；多孔型SnO2半导体材料，其电导率

6、随接触的气体种类变化。5.表面电阻控制型气体敏感元件(a)烧结型SnO2气敏器件直热式和旁热式缺点:热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路互相影响。直热式气敏器件:5.2SnO2气敏器件类型(a)烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件优点:工艺简单，成本低；5.表面电阻控制型气体敏感元件(a)烧结型SnO2气敏器件旁热式气敏器件:把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上金电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料。优点：克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高。符号5.2Sn

7、O2气敏器件类型(b)薄膜型SnO2气敏元件对于烧结型，工作温度高使敏感层发生物理、化学变化，导致性能发生变化，掺杂贵金属催化剂提高灵敏度，与有毒气体（SO2）接触，出现“中毒”现象。5.表面电阻控制型气体敏感元件元件结构加热器电极基片氧化物半导体单位：mm引线引线引线引线电极优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。工艺：制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。(c)厚膜型SnO2气敏传感器敏感材料是由S

8、nO2、PdCl2、MgO、ThO和SiO2等混合而成，将β-萜品醇和丁基卡必醇醋酸脂组合成的有机体加上敏感材料制成厚膜膏浆。5.表面电阻控制型气体敏感元件优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。1/2O2+ne->Oad-对于O2电阻增大还原性气体：与氧发生反应，减少电离氧密度，降低势垒高度，阻值减小。气敏部分由N型材料构成，电阻值取决于表面态密度和晶粒大小影响。注：加入催化剂（如铂，钯），降低化学吸附的激活能，有助于电子的转移和共有化过程5.3SnO2气敏原理（晶界势垒模型）