半导体气体传感器优化方案

1.概述

半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时,半导体的物理电导率发生的明显变化来检测气体的,它能够将感受到的气体转换成可用的输出信号。根据相互作用时产生变化的位置可以将半导体气体传感器分为表面控制型和体控制型气体传感器。前者在表面吸附气体,气体与半导体发生反应,最终使得半导体的电导率等物理性质发生改变;后者通过气体改变半导体的内部组成,这同样能够改变半导体的电导率。根据其反应原理,半导体气体传感器可以分为电阻式和非电阻式半导体气体传感器两种。表4.3是半导体气体传感器的分类。

表4.3　半导体气体传感器的分类

2.半导体气体传感器的机理

由两个金属电极之间的半导体组成的气体传感器通常被称为半导体气体传感器。有时它们被称为均匀气体传感器,以区别于气体传感二极管和场效应晶体管等结构传感器。在金属氧化物是气体敏感半导体的情况下,这种器件也被称为氧化物气体传感器、金属氧化物气体传感器或陶瓷气体传感器。

半导体气敏元件的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体,利用的是气体在半导体表面的氧化还原反应会导致敏感元件阻值变化而制成的。当气敏元件被加热到稳定状态时,若有被检测气体吸附,则被吸附的气体分子会在表面自由扩散,失去自身运动能量,一部分气体分子被蒸发掉,另一部分残留下来的气体分子产生热分解,固定在吸附处(化学吸附)。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力,吸附分子将从原件中夺得电子而变成负离子吸附,使气敏元件表面呈负电荷层;若半导体的功函数大于吸附分子的解离能,吸附分子将向元件释放电子,从而形成正离子吸附,一般具有正离子吸附倾向的气体有一氧化碳等。

3.电阻式半导体气体传感器

目前,电阻式半导体气体传感器的结构主要有三种:烧结型、薄膜型和厚模型。

烧结型气体传感器的结构如图4.2(a)所示,半导体陶瓷内的晶体的大小对电阻有一定的影响,通常晶体的直径约为1μm。烧结型气体传感器的制作方法简单,价格便宜,但电性能一致性较差,因此应用受到一定限制。(www.xing528.com)

薄膜型气体传感器的结构如图4.2(b)所示,主要采用蒸发或溅射工艺在石英基片上形成氧化物半导体薄膜,这种传感器的性能主要与工艺条件与薄膜的物理化学状态有关。

图4.2　烧结型气体传感器和薄膜型气体传感器的结构

在传统电阻式半导体气体传感器中,SnO2材料是其中的代表,用SnO2制成的气体传感器用来监测空气中氧气分压保持不变的情况下微量成分的浓度。在传感器应用中,半导体材料通常以厚膜或薄膜的形式出现在包含金属膜电极和加热电阻的基片上。MQ307气体传感器就是一种利用Sn O2来制备的气体传感器,主要被用来探测一氧化碳的浓度,具有较高的灵敏度和选择性,实现了一氧化碳可靠性探测设备领域的发展。

4.非电阻式半导体气体传感器

非电阻式半导体气体传感器利用的是MOS二极管的电容-电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压变化等特性制成的气敏元件。其电流或电压随气体含量而变化,主要被用来检测氢气等易燃气体。其中MOSFET 气体传感器的工作原理主要是催化金属与挥发性有机物接触后将发生反应,而反应的产物会改变元件的性能,人们通过读取数据,分析元件性能变化,就能识别不同的挥发有机化合物。通过改变催化金属的种类和薄膜厚度,可以进一步优化传感器的灵敏度和选择性。

5.半导体气体传感器的应用

半导体气体传感器因具有灵敏度高、响应时间短、使用寿命长等优点,得到了广泛的应用。表4.4列出了半导体气体传感器的具体应用实例。

表4.4　半导体气体传感器的具体应用实例