半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器,是最常见的气体传感器,广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置,适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。
半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在物体表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力,则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。 例如氧气,等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等,它们被称为还原性气体。 当氧化型气体吸附到n型半导体,还原性气体吸附到p型半导体上时,将使半导体载流子减少,而使电阻增大。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,则载流子增多,半导体阻值下降。 非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感器的制造工艺成熟,便于器件集成化,因而其性能稳定价格便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
对于半导体气体传感器,按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部,可分为表面控制型和体控制型两种;按照半导体变化的物理性质,又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度;而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应,使半导体的某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。
对于半导体气体传感器,按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部,可分为表面控制型和体控制型两种;按照半导体变化的物理性质,又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气...
气体敏感元件,大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后,引起其电学特性(例如电导率)发生变化。流行的定性模型是:原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。1、半导体气...
指纹识别传感器根据原理的不同可分为如下几种: 第一代:光学传感器。光学传感技术可以说是扫描仪的缩小版。使用时,用户将手指按在扫面设备的玻璃表面,光源光线照射到压有指纹的玻璃表面形成反射光线,反射...
半导体式传感器(《传感器基础》课件)
决定氧化物半导体气体传感器敏感特性的关键因素是:对气体的识别功能、将化学信息变换为电信号的功能以及材料的使用效率。本项目旨在利用中空球形氧化物半导体的中空、多孔、比表面大和扩散性好等特点,通过在其外侧表面和内侧表面组装敏感活性物质、控制小球(构成球壳的小颗粒)的晶粒尺寸和小球间的晶界以及控制中空球的尺寸和球间隙来提高识别能力、变换能力和使用效率,构筑高性能气体传感器。主要采用模板法制备中空球形SnO2、In2O3和ZnO等氧化物半导体,探索微结构与敏感特性的关系;在中空球内外表面担载Pd、Pt等贵金属或氧化物等敏感活性物质,提高表面氧化活性,进而大幅度提高灵敏度。此外为了开发实用化的敏感材料,通过引入磷酸根或其它粘合剂(SiO2、Al2O3等)提高中空球形材料的机械强度和热稳定性。最终利用实用化中空球形敏感材料开发高灵敏、高选择一氧化碳传感器,并应用于煤矿瓦斯爆炸后产生的一氧化碳的检测。
在该项目的支持下,负责人主要以水热/溶剂热合成、模板法为主要的合成手段,针对大气环境中的NO2与O3,及有机挥发性气体的检测,合成了一系列具有特殊形貌的纳米分等级结构n型半导体氧化物,主要包括WO3、In2O3、SnO2、α-Fe2O3等,并进行了气敏特性的表征。 针对大气环境中气体的检测,我们主要采用盐酸酸化及模板法,合成了具有方片结构与片状分等级结构的WO3材料。实验结果表明,方片结构的WO3材料对于NO2气体具有较高的灵敏度,对于40 ppb的NO2的灵敏度达到24,基本满足大气低浓度检测的需要。而对于片状分等级结构的WO3材料,其工作温度有所降低,并且在工作温度为75度时,对于40 ppb NO2气体的灵敏度达到16。另外,利用水热/溶剂热的方法,合成了六角形、花状的分等级结构、片花分等级结构、刺球状结构的In2O3粉体材料。这些材料具有电阻值低、对于NO2气体的选择型好、灵敏度高这些特点。并且,具有刺球状结构的In2O3粉体材料对于200 ppb的O3的灵敏度高达133。 我们主要针对乙醇、丙酮等有机气体的检测,以水热/溶剂热为主要的合成手段,开发了具有片状多孔分等级结构、Pd掺杂的纳米棒花结构、单分散片结构、片花结构、Zn掺杂片花结构SnO2粉体材料。片状多孔分等级结构的SnO2材料对于100 ppm 的乙醇气体的灵敏度高达56;Pd掺杂后材料的形貌变化不大,而对于乙醇的灵敏度有明显的提高;片花结构的SnO2材料对于NO2气体有较高的灵敏度与选择性;而Zn掺杂片花结构SnO2材料,不但表面形貌与Zn的掺杂量密切相关,而且适量的掺杂对于器件的灵敏度也有明显的提高。另外,我们还开发了一系列具有棒蔟结构、中空椭球结构、刺球结构的α-Fe2O3粉体材料。棒蔟结构的α-Fe2O3粉体材料对于100 ppm的乙醇与丙酮的灵敏度在器件的工位温度为250 ◦C与240 ◦C时分别为38与28;中空椭球结构α-Fe2O3乙醇与丙酮具有较高的灵敏度,且该器件具有快速的响应与恢复时间,对于40 ppm的乙醇,响应与恢复时间仅为38秒与34秒;刺球结构的α-Fe2O3材料的响应与恢复时间非常快,其响应时间仅为2秒,而在30秒以内,器件会恢复初始的阻值。
从作用机理上,燃气传感器主要分两种:半导体气体传感器和接触燃烧传感器。