半導(dǎo)體敏感元件氣敏

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1、氣敏傳感器課程主要內(nèi)容1.氣敏傳感器應(yīng)用示例2.氣敏傳感器的分類3.氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性4.金屬氧化物的半導(dǎo)體化5.表面電阻控制型氣體敏感元件6.體電阻控制型氣體敏感元件7.非電阻型氣體敏感元件8.基于MEMS技術(shù)的氣體微傳感器1.氣體傳感器應(yīng)用示例汽車尾氣分析酒精檢測(cè)一氧化碳傳感器可燃性氣體傳感器外形2.氣敏傳感器的分類氣敏傳感器表面控制型容積控制型燃燒熱表面電位整流特性閾值電壓電阻型非電阻型濃差電極合成電位恒電位電解池氧電極半導(dǎo)體式電化學(xué)式接觸燃燒式固體電解質(zhì)式半導(dǎo)體氣敏元件的分類電導(dǎo)控

2、制型，以金屬氧化物為主。電壓控制型，以硅為主2.氣敏傳感器的分類3.氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性(a)靈敏度：對(duì)氣體的敏感程度；(b)響應(yīng)時(shí)間：對(duì)被測(cè)氣體濃度的響應(yīng)速度;(c)選擇性：指在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類的能力;(d)穩(wěn)定性：當(dāng)被測(cè)氣體濃度不變時(shí)，若其他條件發(fā)生改變，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)氣敏元件輸出特性保持不變的能力;(e)溫度特性：氣敏元件靈敏度隨溫度變化而變化的特性;(f)濕度特性：氣敏元件靈敏度隨環(huán)境濕度變化而變化的特性；(g)電源電壓特性：指氣敏元件靈敏度隨電源電壓變化而

3、變化的特性;(h)時(shí)效性與互換性：反映元件氣敏特性穩(wěn)定程度的時(shí)間，就是時(shí)效性；同一型號(hào)元件之間氣敏特性的一致性，反映了其互換性。實(shí)際應(yīng)用對(duì)氣敏傳感器的要求:3.氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性(a)具有良好的選擇性；(b)具有較高的靈敏度和寬響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍；(c)性能穩(wěn)定；(d)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好;(e)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。4.金屬氧化物的半導(dǎo)體化人為在金屬氧化物能帶結(jié)構(gòu)的禁帶中形成或增加附加能級(jí)的過程稱為金屬氧化物的半導(dǎo)體化。MO晶體中的缺陷電離能E1電離能E2電離能E3電離能E44.金屬氧化物的半導(dǎo)

4、體化氧空位起施主作用金屬空位起受主作用對(duì)于間隙原子對(duì)于反結(jié)構(gòu)缺陷，共價(jià)鍵化合物中，O替代M時(shí)，電離產(chǎn)生電子形成施主能級(jí)。對(duì)于反結(jié)構(gòu)缺陷，共價(jià)鍵化合物中，M替代O時(shí)，電離產(chǎn)生空穴形成受主能級(jí)。4.金屬氧化物的半導(dǎo)體化金屬起施主作用氧起受主作用外來雜質(zhì)F，如果是間隙，金屬為施主，電負(fù)性大的為受主，如果是替位，分2兩種情況：（1）替代M，化合價(jià)大于M，有剩余電子被激發(fā)出去，形成施主能級(jí)，化合價(jià)小，形成受主能級(jí)。（2）替代O時(shí)，化合價(jià)大，起受主作用，化合價(jià)小，起施主作用。金屬氧化物電學(xué)性質(zhì)控制控制金屬氧化

5、物導(dǎo)電類型和電阻率等電學(xué)性質(zhì)就變成了控制晶體中雜質(zhì)和缺陷的種類和數(shù)量。當(dāng)在金屬氧化物形成Vo后，電離時(shí)提供電子即形成施主能級(jí)，使材料成為N型2種方法控制電阻率a.摻入不同化合價(jià)的雜質(zhì)原子；b.控制氧化物化學(xué)劑量比偏離方向和程度。4.金屬氧化物的半導(dǎo)體化5.表面電阻控制型氣體敏感元件5.1材料主要有：SnO2和ZnOSnO2的基本性質(zhì)白色粉末，不溶于水，能溶于熱強(qiáng)酸和堿。SnO2晶體結(jié)構(gòu)屬于四方晶系，具有金紅石型結(jié)構(gòu)；經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多晶SnO2對(duì)多種氣體具有氣敏特性；多孔型SnO2半導(dǎo)體材料，其電導(dǎo)率

6、隨接觸的氣體種類變化。5.表面電阻控制型氣體敏感元件(a)燒結(jié)型SnO2氣敏器件直熱式和旁熱式缺點(diǎn):熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測(cè)量回路與加熱回路互相影響。直熱式氣敏器件:5.2SnO2氣敏器件類型(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件優(yōu)點(diǎn):工藝簡(jiǎn)單，成本低；5.表面電阻控制型氣體敏感元件(a)燒結(jié)型SnO2氣敏器件旁熱式氣敏器件:把高阻加熱絲放置在陶瓷絕緣管內(nèi)，在管外涂上金電極，再在金電極外涂上氣敏半導(dǎo)體材料。優(yōu)點(diǎn)：克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，器件的穩(wěn)定性得到提高。符號(hào)5.2Sn

7、O2氣敏器件類型(b)薄膜型SnO2氣敏元件對(duì)于燒結(jié)型，工作溫度高使敏感層發(fā)生物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致性能發(fā)生變化，摻雜貴金屬催化劑提高靈敏度，與有毒氣體（SO2）接觸，出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象。5.表面電阻控制型氣體敏感元件元件結(jié)構(gòu)加熱器電極基片氧化物半導(dǎo)體單位：mm引線引線引線引線電極優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高、互換性好、產(chǎn)量高、成本低等。工藝：制作采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極。(c)厚膜型SnO2氣敏傳感器敏感材料是由S

8、nO2、PdCl2、MgO、ThO和SiO2等混合而成，將β-萜品醇和丁基卡必醇醋酸脂組合成的有機(jī)體加上敏感材料制成厚膜膏漿。5.表面電阻控制型氣體敏感元件優(yōu)點(diǎn)：一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)。1/2O2+ne->Oad-對(duì)于O2電阻增大還原性氣體：與氧發(fā)生反應(yīng)，減少電離氧密度，降低勢(shì)壘高度，阻值減小。氣敏部分由N型材料構(gòu)成，電阻值取決于表面態(tài)密度和晶粒大小影響。注：加入催化劑（如鉑，鈀），降低化學(xué)吸附的激活能，有助于電子的轉(zhuǎn)移和共有化過程5.3SnO2氣敏原理（晶界勢(shì)壘模型）