电阻式半导体气体传感器PPT资料.ppt

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（1）干式气体传感器

（2）湿式气体传感器。

凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器；

凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传感器。

9,气体传感器的分类,气敏元件,干式,湿式,接触燃烧式,固体电介质式（ZrO2C2O）,红外线吸收式,导热率变化式（热线，热敏电阻）,以固定电位电解式为代表（极谱式，原电池式）,检测方法？

10,半导体气体传感器,半导体气体传感器及其分类气敏机理主要特性及其改善表面控制型电组式传感器体控制型电阻式传感器非电阻式半导体气体传感器半导体气体传感器的应用,11,半导体气体传感器及其分类,什么是半导体气体传感器？

半导体气体传感器的分类

（1）电阻式半导体气体传感器

（2）非电阻式半导体气体传感器,12,半导体气体传感器,半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化，借此检测特定气体的成分及其浓度。

13,半导体气体传感器的分类,14,电阻式半导体气体传感器,电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。

气敏元件是多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等,15,非电阻式半导体传感器,根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体进行直接或间接检测。

目前，正在积极开发的有金属半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管的敏感元件，主要是利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面电位直接测定的传感器。

16,气敏机理,影响气敏特性的六个因素四种模式的气敏机理整体原子价控制理论能级生成理论表面电荷层理论接触粒界势垒理论,17,影响气敏特性的六个因素,气敏材料不是单晶体；

应该包括：

为了改善气敏元件的选择性和灵敏度，一般往金属氧化物中添加催化剂和其他氧化物，为提高元件强度还需要添加粘合剂；

利用的是物质的表面；

元件工作在较高温度下（一般为200400）；

被测气体种类繁多，它们各有不同的特性；

吸附过程本身比较复杂，既有物理吸附，又有化学吸附等。

表面与界面问题,讨论敏感机理,?

?

18,整体原子价控制理论（气敏机理之一）,本理论适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物；

用ABO3一般式来表示钛矿型氧化物，其导电过程是通过B元素与氧组成的三维网孔状结构进行的；

氧的解离作用可以把网状构造的某一部分切断，一旦发生这种现象，复合氧化物的电阻值将显著增加。

BaTiO3的晶体结构示意图,19,能级生成理论（气敏机理之二）,以SnO2、ZnO等半导体传感器的n型半导体为例讨论这种理论；

n型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入n型半导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，使空穴与导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。

与此相反，若n型半导体吸附氧化性气体时，气体以负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，其结束是使导带电子数目减少，而使元件电阻值增加。

20,表面电荷层理论（气敏机理之三）,在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级。

表面能级与金属氧比物本体能带之间有电子的接受关系，因而形成表面的空间电荷层。

由于吸收不同种类气体之后空间电荷层变化，从而引起气敏元件电阻值的变比。

21,接触粒界势垒理论（气敏机理之四）,本理论是根据多晶半导体能带模型；

22,（a）如实线所示，因吸附电子接收性气体（氧化性气体）而使势垒从虚线位置增高；

23,（b）因吸附电子供给性气体（还原性气体）而使势垒降低；

24,（c）晶粒接触而电阻不变时，吸附气体不会使势垒发生多大变化。

25,主要特性及其改善,一、气敏元件的气体选择性及其改善二、气体浓度特性三、初始稳定、气敏响应和复原特性四、灵敏度的提高与稳定改善五、温度、湿度影响及其他问题,26,气敏元件的气体选择性,气敏元件在相同测试条件下，接触同一浓度、不同种类气体时，其敏感量（如电阻）的相对变化。

27,问题,半导体气体传感器的气敏材料对气体的选择性表明该材料主要对那种气体敏感。

金属氧化物半导体对各种气体敏感的灵敏度几乎相同。

因此，制造出气体选择性好的元件很不容易，其选择性能不好或使用时逐渐变坏，都会给气体测试、控制带来很大影响。

28,改善气敏元件的气体选择性常用的方法,向气敏材料掺杂其他金属氧化物或其他添加物控制元件的烧结温度；

改变元件工作时的加热温度。

应该指出的是以上三种方法只有在实验的基础上进行不同的组合应用，才能获得较为理想的气敏选择性。

29,二、气体浓度特性,传感器的气体浓度特性表示传感器输出与被测气体浓度之间的确定关系,30,三、初始稳定、气敏响应和复原特性,初始稳定气敏响应复原特性,31,初始稳定状态,气敏传感器按设计规定的电压值使加热丝通电加热之后，敏感元件电阻值首先是急剧地下降，一般约经2一10分钟过渡过程后达到稳定的电阻值输出状态，称这一状态为“初始稳定状态”。

达到初始稳定状态的时间及输出电阻值，除与元件材料有关外，还与元件所处大气环境条件有关。

达到初始稳定状态以后的敏感元件才能用于气体检测。

32,加热电阻丝,无论哪种类型（薄膜、厚膜、集成片或陶瓷）的气敏元件，其内部均有加热电阻丝加热电阻丝的作用：

（1）一方面用作烧灼元件表面油垢或污物。

（2）另一方面可起加速被测气体的吸、脱过程的作用。

注：

加热温度一般为200-400,33,检测电路实例,加热清洗原理：

VR5支路检测原理:

VR2:

调零点；

VR4：

调灵敏度；

报警原理VR1：

设定报警点,34,气敏响应,过程化学性吸附

（1）阴离子吸附

（2）阳离子吸附工作原理,35,过程,当加热的气敏元件表面接触并吸附被测气体时，首先是被吸附的分子在表面自由扩散（称为物理性吸附）而失去动能，这期间，一部分分子被蒸发掉，剩下的一部分则因热分解而固定在吸附位置上（称为化学性吸附）。

36,阴离子吸附,若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。

具有这种性质的气体称为氧化性气体，例如，O2，NOx等。

37,阳离子吸附,若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸气体将把电子给予元件而以阳离子形式吸附。

具有阳离子吸附性质的气体称为还原性气体,如H2，CO,HC和乙醇等。

38,工作原理,氧化性气体吸附于n型半导体或还原性气吸附于P型半导体敏感材料，都会使载流子数目减少而表现出元件电阻值增加的特性；

相反还原性气体吸附于n型，氧化性气体吸附于P型半导体气敏材料都会使载流子数目增加而表现出元件电阻值减少的特性.,39,复原特性,测试完毕，把传感器置于大气环境中，其阻值复原到保存状态的数值速度称为元件的复原特性,40,四、灵敏度的提高与稳定改善,气体传感器（或气敏元件）对被测气体敏感程度的特性称为传感器的灵敏度。

改善方法：

目前，一般利用金属或金属氧化物元件材料的催化作用来提高传感器的灵敏度。

最有代表性的催化剂有Pd（钯），Pt（铂）等白金系催化物。

Cr能够促进乙醇分解Mo，W等能促进H2，CO，N2，O2的吸附与反应速度；

MgO，PbO，CdO等掺加物也能加速被测气体的吸附或解吸的反应速度。

41,图的分析？

得到什么信息？

什么结论？

42,五、温度、湿度影响及其他问题,气敏元件一般裸露于大气中，因此设计与使用时必须注意环境因素对气敏元件特性的影响。

另外、气敏元件加热丝的电压值决定了敏感元件的工作温度，它是影响气敏感元件各种特性的一个不可忽略的重要因素。

43,表面控制型电阻式传感器,材料制作工艺敏感特性各类传感器工作原理,44,材料,传感器的材料多数采用氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物这类传感器一般均掺有少量的贵重金属（如Pt等）作为激活剂。

也有研究用有机半导体材料的。

45,制作工艺,烧结厚膜薄膜,46,敏感特性,LogR=mlogC+nn与气体检测灵敏度有关，除了随传感器材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。

m表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏度（也称之为气体分离率）。

对于可燃性气体来说，m值多数介于12至13之间。

47,各类传感器,RuO2:

氧化钌,48,氧化锡类传感器,氧化锡是典型的n型半导体，是气敏传感器的最佳材料。

其检测对象为CH4,C3H8，CO，H2，C2H5OH，H2S等可燃性气体和呼出气体中的酒精、NOx等。

气体检测灵敏度随气体的种类、工作温度、激活剂等的不同而差异很大；

氧化锡类传感器中，研究得较多的是烧结体、薄膜、厚膜等型式的敏感元件。

49,Rd及Rg分别是敏感元件在空气中和被测气体中的阻值被测气体浓度：

一氧化碳为0.02、氢为0.8、丙烷为0.2、甲烷为0.5（用空气稀释过）,添加铂、钯或银的氧化锡敏感元件气体的检测灵敏度与温度的关系,50,添加贵金属的氮化锡敏感元件的气体检测灵敏度最高位及其温度,51,薄膜SnO2气敏传感器结构,52,薄膜SnO2气敏传感器对CO和C2H5OH的敏感特性,R50:

50ppm气体浓度下的器件电阻,53,厚膜SnO2气敏传感器结构,54,厚膜SnO2气敏传感器输出特性,问题：

对CO和H2的敏感程度如何？

添加二氧化钍（THO2）后的情况变化？

气体浓度（ppm）含有THO2,55,工作原理,对表面控制型传感器来说，半导体表面气体的吸附和反应同敏感元件的阻值有着密切的关系，一般说来，如果半导体表面吸附有气体，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，造成电子迁移，从而形成表面电荷层。

例如，吸附了象氧气这类电子复合量大的气体后，半导体表面就会丢失电子，被吸附的氧气所俘获（负电荷吸附）。

56,式中，On-（ad）表示吸附的氧气，其结果是，氧化锡、氧化锌之类的n型半导体的阻值增加;

当半导体气体传感器置于空气中时，其表面吸附的氧气是O2-，O-,O2-之类的负电荷，当与被测气体进行反应时，其结果如下：

57,上面两式表明，被氧气俘获的电子释放出来，半导体的电阻就减小总之，气体传感器无非是将传感器的表面作为一种催化剂，使氢气和一氧化碳触媒燃烧。

支配传感器阻值增减的是氧气吸附，可理解为可燃性气体能起到改变其浓度的作用。

这种半导体表面触媒燃烧存在着气体检测灵敏度与气体的易燃性成正比的倾向。

58,多孔质烧结体敏感元件机理,多孔质烧结体敏感元件与厚膜敏感元件都是多晶体结构。

59,多晶元件,60,晶粒间界,（b）:

各晶粒与其它的晶粒相互接触乃至成颈状结合。

重要的是，这样的结合部位在敏感元件中是阻值最大之处，是它支配着整个敏感元件的阻值高低。

由此可见，接合部位的形状对传感器的性能影响很大。

因气体吸附而引起的电子浓度的变化是在表面空间电荷层内发生的，所以在颈状结合的情况下，颈部的宽度与空间电荷层的深度一致时，敏感元件的阻值变化最大。

在晶粒接触的情况下，接触部分形成一个对电子迁移起阻碍作用的势垒层。

这种势垒层的高度随氧的吸附和与被