第9章半导体传感器传感器原理及工程应用第9章半导体传感器9.1气敏传感器气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。9.1.1概述气敏传感器用于检测气体类别、浓度和成分的传感器，主要是半导体、接触燃烧式、固体电解质气敏传感器。利用待测气体与半导体表面接触时产生物性变化来检测。根据作用是在表面或内部分为表面控制型与体控制型根据物性分电阻型与非电阻型（如伏安特性）。特点：暴露在气体中温度湿度变化大，存在粉尘油污等要求:选择性检测单一气体对共存物质响应小，长期稳定，重复性好，响应速度快，灵敏度高用于易燃、易爆、有毒、有害气体的监测和自动控制。第9章半导体传感器传感器原理及工程应用9.1.1.1气体检测系统包括：组合了基于一（多）种传感技术气体传感器和采样调理电路的探头、监测控制系统及接口。气体传感器将某种气体(压力、浓度)转化为电信号。9.1.1.2气体危险性定义：1）有毒性气体：TLV:安全限(8h/天或40h/周)；STEL：短时(15min内无害)暴露限；IDLH：致命限人可存活30分钟的最高气体浓度2）氧气：含量低于19.5%为危险限，低于18%为致命限。3）易燃易爆气体：最低爆炸限LEL：高于LEL发生爆炸，安规为10%LEL最高爆炸限UEL：低于UEL发生爆炸第9章半导体传感器传感器原理及工程应用9.1.1.3气体传感器主要性能：1、稳定性：由零点漂移和区间漂移来衡量零点漂移指无目标气体时传感器对基本线性条件的响应变化<10%/年；区间漂移目标气体中的响应变化<10%/年。2、灵敏度：在一定浓度的检测气体中的电阻值Rg与洁净空气中电阻值Ra之比：K=Ra/Rg；Rg=mlgC+n3、选择性（交叉灵敏度）：S≤K0/Kf；K0为目标气体灵敏度；Kf为干扰气体灵敏度。一般取S=54、抗腐蚀性：传感器暴露于高浓度目标气体的能力。应能承受目标气体期望浓度的10~20倍。第9章半导体传感器传感器原理及工程应用器件被加热到稳定状态，气体被吸附，在表面自由扩散,部分被蒸发，残余部热分解固定在吸附处(化学吸附).9.1.2半导体气敏传感器的机理利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致阻值变化的。半导体功函数小(大)于亲和力，成负(正)离子氧（氢）吸附，如氧（氢）表面成电荷层。为提高气敏元件对气体成分的选择性和灵敏度，有时还渗入催化剂，如钯（Pd）。氧化型气体吸附到N型，还原型气体吸附到P型上电阻增加氧化型气体吸附到P型，还原型气体吸附到N型上电阻下降半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果第9章半导体传感器传感器原理及工程应用时间器件加热稳定状态大气中吸气中还原气体氧化气体响应时间N型半导体气敏传感器阻值变化电阻/k时间2-4min第9章半导体传感器传感器原理及工程应用1）烧结型气敏元件：将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,烧结而成。气敏电阻元件按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件,它的加热温度较低SnO2气敏半导体对可燃性气体,如氢、CO、丙烷等有较高的灵敏度2）薄膜型气敏元件:采用真空镀膜或溅射方法,在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜而成9.1.3半导体气敏传感器类型与结构1.电阻型半导体气敏传感器第9章半导体传感器传感器原理及工程应用3)厚膜型气敏元件将气敏材料与硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。用丝网印刷到事先安装有电极的基片上,烧结制成用厚膜工艺制成的器件一致性较好,机械强度高。氧化锌是N型半导体,添加铂催化剂时,对烷烃气体有较高的灵敏度,而对H2、CO2等气体灵敏度很低。用钯催化剂时,对H2、CO有较高的灵敏度,而对烷烃类气体灵敏度低。它有良好的选择性,工作温度在400~500℃的较高温度。加热器能使测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应速度。三种气敏器件都附有加热器,第9章半导体传感器传感器原理及工程应用气敏元件结构上,有电阻丝加热,结构如图,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对电极气敏元件工作温度比环境温度高。气敏元件的基本测量电路,如右图所示,图中EH为加热电源,EC为测量电源,在低浓度下灵敏度高,而高浓度下趋于稳定值。用来检查可燃性气体泄漏并报警气敏元件输出电压与温度的关系如图第9章半导体传感器传...
