《敏感器件》PPT课件

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1、§7.4半导体气敏器件能够响应于气体中一定的成分，伴随由此引起的化学、物理效应，有着相应变化的电信号输出的器件。器件要求具有良好的选择性具有较高的灵敏度和宽响应动态范围性能稳定，器件特性不随环境温度、湿度变化响应速度快，重复性好维护简单，价格便宜各种气体敏感元器件采用无机材料的气体敏感元件气体敏感元器件分类金属氧化物半导体气体敏感元件常用SnO2，ZnO，Fe2O3，In2O3，WO3等n型氧化物半导体做主体材料，添加合适的催化剂制作成烧结体、薄膜或厚膜元件，用来检测还原性气体。这类敏感元件的优点是制作工艺简单，成本低

2、，灵敏度、选择性和稳定性可满足一般的要求。主要问题是选择性、稳定性和重复性。酞菁铜薄膜气体敏感元件氧化物固体电解质气体敏感元件产量仅次于氧化物半导体气体敏感元件的一类气体敏感元件，以离子导电性很强的固体电解质为主体材料制成各种结构的电池。高分子材料气体敏感元件高分子材料由于具有易操作性、工艺简单、常温、选择性好、易与微结构气体敏感元件及声表面波器件相结合，在毒性气体及食品新鲜度等方面的检测具有重要作用。分类采用有机材料的气体敏感元件器件形式氧化物半导体气敏元件表面电阻控制型气敏器件半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则

3、吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。半导体的功函数大于吸附分子的亲和力。吸附分子将向器件释放出电子，形成正离子吸附。H2、CO、碳氢化含物和醇类等具有正离子吸附倾向的气体被称为还原型气体。当氧化型气体吸附到N型半导体，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。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。烧结型气敏器件半导体烧结体是由微粒子组成的微细多孔结构。其对气体敏感的机理是构成烧结

4、体的多晶微粒子间吸附气体分子后，电导率发生变化，从而引起半导体电导率随气体浓度而改变。体电阻控制型气敏器件由于晶粒表面上微观上可逆还原反应所造成的电荷在离子间转移的结果，并最终归结为离子电价的变化导致电导率变化。例：γ－Fe2O3气敏器件在400℃下，γ－Fe2O3气敏器件吸附还原性气体，使Fe3＋被还原为Fe2＋：CH4＝吸附＝>CH＋＋e－Fe3＋＋e－＝还原＝>Fe2＋半导体气敏器件的参数器件电阻R0：气敏器件在正常空气中或洁净空气中所具有的电阻为初始电阻或固有电阻。灵敏度K：气敏器件在洁净空气中所具有的电阻与其

5、检测一定浓度的气体时所具有的工作电阻Rs比。分辨率S：相同浓度的被测气体和干扰气体中，气敏器件净输出的电压之比。响应时间tr：从传感器接触气体开始到其电阻值达到某一确定值时所需的时间。恢复时间tr0：从传感器脱离气体开始到其电阻值达到恢复某一确定值时所需的时间。温度和催化剂对器件的影响温度与灵敏度常温下，气体以物理吸附为主，与半导体表面间的结合力为范德华力，相互间没有电子交换，灵敏度低。高温下，化学吸附将增加并在某温度下达到最大。此时半导体表面为离子吸附状态，结合力为化学键合力，有电子交换，灵敏度高。温度再升高，气体逐

6、渐解吸，灵敏度下降。催化剂在基体陶瓷半导体材料中掺入不同的贵金属材料做催化剂，可以明显的改变器件的特性，有效降低器件的灵敏度峰值温度。将温度和催化剂适当组合，不但可改善器件特性，还能提高气体选择能力。常见陶瓷气敏元件常见的陶瓷气敏材料主要有：SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2等。材料特性检测气体SnO2结构简单，便宜，灵敏度高，工作温度低；一致性较差可燃气体：甲烷、丙烷、一氧化碳、氢、酒精、石油气等Fe2O3对乙醇、水汽不敏感，受环境温度、湿度影响小，无需添加催化剂；适于家用煤气、天然气、石油气等ZrO2高灵敏度、

7、高可靠性；用于汽车控燃比控制，内燃机、窑炉尾气检测，废水测量等氧气结构烧结体薄膜厚膜半导体气敏二极管气敏二极管有两种结构形式：一种是金属和半导体接触的肖特基二极管，其利用半导体表面吸附气体后，与金属的功函数差随之改变，从而使肖特基势垒下降，正向电流增加来检测气体。另一种是金属－氧化物－半导体构成的MOS气敏二极管，其利用半导体C－V特性随吸附气体浓度而改变的特性，通过测量平带电压的移动来检测气体。MOSFET气敏器件Pd栅MOSFETH2探测器Pd对H2有独特的溶解性和催化活性。Pd的原子间隙正好能让H的原子自由通过，

8、因此当氢吸附到Pd栅表面，将很快离解为氢原子进入到Pd与SiO2的表面，从而导致Pd的功函数变化，引起阈值电压的变化。COMOSFET检测器利用Pd－MOSFET在Pd层上做2um的孔，可以用于CO的检测。在SiO2上溅射一层SnO2，再覆盖10－15A的Pd，可以得到高灵敏度的CO检测差动式集成气敏MOS器件超微粒多功能集成化气