电阻型常温气敏元件的设计及分析

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1、电阻型常温气敏元件的设计及分析张开文2010.7.26摘要本文通过认真的分析和计算，结合生产和现行的产品情况分析了常温元件的工作特性和性能参数之间的关系。明确地提出了常温元件的设计和制造应遵循的原则。常温元件最重要是元件的初始阻值R0范围为360Ω左右，最佳的阻值范围是200-330Ω，其输出电压VRL应在0.8-1.2V的范围。为设计和制造常温气敏元件提供一定的依据和一些经验数据。关键词常温气敏元件自热式气敏元件元件阻值元件功率取样电阻功率Designandanalysisofresistanceroom-temperaturegassensorAbstractBasedonpresen

2、troom-temperaturegassensorproducts,detectionanddataanalysiswascarriedouttorevealtherelationshipbetweenitsworkcharacteristicandperformanceparameter.Designandmanufacturingprinciplesfortheroom-temperaturegassensorwereproposed.Resultsshowedresistanceofsensor(R0)wasabout250Ω,optimizedresistancerangewas

3、200Ωto330Ωandcorrespondingoutputvoltage(VRL)was0.8Vto1.2V.KeywordsRoom-temperaturegassensor，Self-heating，Resistanceofsensor，Powerconsumptionofsensor0前言金属氧化物半导体气敏元件问世以来已经大半个世纪。由于其导电机理决定了金属氧化物半导体气敏元件要在一定温度下才能正常工作。因此金属氧化物半导体气敏元件的结构总是包括气体敏感部分和加热部分两大部分。然而这给使用和制造打来了不少的麻烦。为了解决金属氧化物半导体气敏元件的加热问题世界的科学工作者做了大

4、量的研究，但始终没有实现常温型金属氧化物半导体气敏元件。但是通过大量的研究和实验，根据金属氧化物半导体气敏元件的机理人们研究出了所谓的常温元件，即不带加热器的金属氧化物半导体气敏元件。53半导体气敏元件基于金属氧化物半导体表面吸附气体的电子交换的原理。所有的物体都具有吸附的特性。吸附分物理吸附和化学吸附。通常物理吸附发生在低温阶段，物理吸附一般发生在较高的温度范围。物理吸附是物体表面靠范德华引力吸附，类似于水汽吸附凝聚成水分子附着在物体的表面，同时表面的水分子也不停的离开表面，在一定的条件下会达到一个平衡。它们在吸附与脱附的整个过程没有发生化学变化。也就没有电子的交换过程。化学吸附实施发生

5、在物体表面的化学反应，有电子的交换，也伴随新的物质的生成。金属氧化物半导体气敏元件的气敏效应主要利用的是化学吸附效应。吸附过程同时伴随着脱附过程，吸附与脱附在一定的温度下总会达到一个动态平衡。吸附与脱附与半导体表面能量有关。物体表面能量的大小直接影响吸附和脱附的平衡建立过程的快慢。半导体气敏材料如：SnO2表面吸附氧化性气体氧气O2时，SnO2将供给O2电子形成氧离子O2→O-2→O-→O-2成为施主，由于失去电子半导体的电导降低。当半导体表面接触还原性的可燃气体时，还原性气体与半导体表面的氧离子发生氧化还原反映，生成新的物质，同时发生电子交换，电子又回到半导体表面，这样半导体的电导增加。

6、通过检测半导体的电导变化从而实现对气体的检测。根据研究半导体SnO2对于一般的可燃性气体的检测温度在350度左右。氧化锌ZnO半导体的检测温度在400度左右。也就是说在这样的温度下可以实现对气体的化学吸附。当然不同的气体其实际的检测温度有所不同。不论将其做成什么样结构的气敏元件，其工作温度都要满足这一要求。只不过不同的气体其反应温度有所不同而已。因此所有的气敏元件都是离不开加热器。然而加热器又给制作和使用带来许多的不便。人们想尽各种办法试图甩掉气敏元件的加热器，至今没有很成功的案例。但都在积极的减小元件的功率消耗。如减小元件的体积减少功耗，采用直热式结构即减少了体积也充分利用所供给的能量。

7、最近的MEMS的气敏元件其功耗已经减小到30MW，但还是未能丢掉元件的加热部分。现在的所谓常温元件看起来没有加热器，实际上元件还是没有真正的实现不加热的常温元件。它采用了元件的自身发热来提供元件正常的的工作温度。所谓常温元件实际是元件自身发热的气敏元件。正确的应该叫做自热式气敏元件。还有一种常温振荡型气敏元件，该气敏元件与电阻型的常温元件的气敏机理有所不一样，这种震荡型常温气敏元件可以认为是真正的常温气敏元件，基本不依靠