《传感器及工程应用》第12章气敏传感器及工程应用.ppt

12.6.1 电阻型半导体气敏传感器 1.电阻型半导体测量原理 电阻型半导体气敏器件是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致其阻值变化原理而制成的器件。。 目前用于气体检测的半导体材料，N型有SnO2、ZnO、TiO等，P型有MoO2、CrO3等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，则使半导体载流子减少，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，则使载流子增多，半导体电阻值减少。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。 　图12-12给出了气体接触到N型半导体时所产生的阻值变化情况。由图可知，器件在空气中加热4分钟后阻值基本不变。 图12-12 N型气敏元件吸附气体时阻值变化图 这是因为空气中的含氧量是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。若气体浓度突然发生变化，其阻值也将变化。实验证明，半导体吸附气体的时间一般不超过1分钟。 2. 电阻型半导体气敏器件的分类 　电阻型半导体气敏器件一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。 1）烧结型 　烧结型气敏器件的外形结构如图12-13(a)所示。它是将一定的敏感材料（SnO2、ZnO）及掺杂剂（Pt、Pb）等用水或粘合剂调和均匀，经研磨后以膏状物滴入模具内，埋入加热丝和铂电极，用700~900℃的传统制陶方法进行烧结而成。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长。但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。 2）薄膜型 　薄膜型气敏器件的外形结构图12-13(b)所示。它的制作方法是首先处理衬底片（玻璃石英式陶瓷）；焊接电极，然后采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜(其厚度约在100nm以下)而成。 3）厚膜型 　厚膜型气敏器件的外形结构图12-13(c)所示。它是将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶用丝网印刷到事先装有铂电极的氧化铝（Al2O3）基片上，在400~800℃的温度下烧结1~2小时制成。 图12-13 电阻型半导体气敏器件结构 这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感器件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃左右。 气敏器件中的加热器通常有两种，一种是直热式，另一种是旁热式。 图12-14所示是直热式气敏器件的结构及符号。 图12?14 直热式气敏器件的结构示意图及电路符号 它的器件管芯体积一般都很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料中烧结而成的，并且加热丝兼做一个测量电极。该结构制造工艺简单，成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用。其缺点是热容量小，易受环境气流的影响；测量电路和加热电路之间相互影响；加热丝在加热时产生胀缩，容易造成与材料接触不良的现象。国产QN型和日本费加罗TGS#109 型气敏传感器都采用这种结构。 图12?15是旁热式气敏器件的结构示意图及电路符号，它是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂有梳状金电极作为测量电极，在金电极外涂上SnO2等材料。 旁热式结构的气敏器件克服了直热式的缺点，使测量极和加热极分开，而且加热丝与气敏材料不接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，降低了环境温度对器件加热温度的影响；所以这种结构器件的稳定性、可靠性都比直热式器件要好。 国产QM―N5型和日本费加罗TGS#812、813型等气敏传感器均采用这种结构。 12.6.2.非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏元件是利用特定材料的MOS二极管电容—电压特性以及MOS场效应管(MOSFET)的阈值电压特性随某些气体的浓度变化而变化的原理制成的气敏元件。 1. MOS二极管气敏元件的结构及测量原理 MOS二极管气敏元件的结构如下图12-16(a)所示。它是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺技术生成一层厚度约为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)金属薄膜，作为电极M，P型硅作为另一个电极而构成的元件。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数，其等效电路如图12-16(b)。 图12-16 MOS二极管结构和等效电路 由等效电路可知，总电容C也是两极电压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C—U特性，如图12-16(c)曲线a所示。 由于钯金属对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS二极管的C—U特性向低电压方向平移，如图12-16(c)中虚线b所示。根据这一