半导体气体传感器之电阻式详解

2020-08-12 14:43:42 湖南赛西 7

半导体气敏元件的气敏材料主要采用具有半导体性质的金属氧化物、金属半导体氧化合物或其他半导体材料与气体相互作用时,会引起表面吸附或反应,从而产生电子或空穴载流子运动的特征是电导率的变化,伏安特性的变化,或者表面电位的变化。


与经验所引起的变化是由所选气敏材料的半导体特性决定的。自从1962年世界上第一个半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来,半导体气体传感器它已成为应用最广泛、最具实用价值和研究最广泛的气体传感器。


不到一半导电气体传感器的气敏机理可分为两类:电阻型半导体气体传感器和非电阻型半导体气体传感器气体传感器。



电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器,它采用金它是由氧化膜(如SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2等)制成的阻抗器件。当被测气体接触使用该传感器时,其电阻随气体含量的变化而显著变化。

气体分子在薄膜表面被还原响应,这会导致传感器电导率的变化。

为了使气体分子从薄膜表面解离,它必须发生一次氧化反应。在传感器中安装加热器将有助于氧化反应过程。电阻式半导体气体传感器具有成本低、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感性低等优点电路简单,等等。但是,这种传感器的缺点是必须在高温环境下工作,机体选择性较差,组分参数分散不易控制,稳定性不理想,对功率要求高。


目前,除了除了传统的SnO、SnO2和Fe2O3三大类材料外,科学家们还研究开发了一些新材料,包括单一的元素金属氧化物材料、复合金属氧化物材料和混合金属氧化物材料。对这些新材料的研究并且开发,大大扩展了气体传感器的应用范围。另外,通过掺杂或修饰这些半导体,例如,加入贵金属如Pt、Pd、Ir等,可以有效地提高元件的灵敏度,缩短响应时间,并且可以降低被测气体化学吸附所产生的活化能或吸附能可以大大提高其灵敏度,加快反应速度。如果使用的催化剂不同,会导致气体传感器对某些气体特别敏感,但对其他气体不敏感。


应使传感器具有较高的选择性。例如,各种贵金属掺杂SnO2基半导体气敏材料。当贵金属为P、Pd或Au时,杂质会增加对CH4的敏感性,而Ir的掺杂则会降低对CH4的敏感性。灵敏度:铂和金的掺杂会增加对氢的敏感性,而钯的掺杂会降低对氢的敏感性采用薄膜技术和超微粒薄膜技术制造的金属氧化物气体传感器具有高灵敏度(高达10级)具有良好的一致性、小型化、易于集成等特点。电阻式半导体气体传感器可以直接反映气体浓度与电阻的变化成一定的比例关在上面,不需要额外的转换器,它属于主传感器设备。


目前常用的电阻式半导体气体传感器分为有两种电极和三种电极,如图1.5所示。在直接对终端施加电压的同时,测量不同气体类型和浓度下被测气体中其电阻的纯值其电阻的变化值也不同。

通过计算气体进入前后电阻的变化值,可以得到气体的浓度信息。三电极电阻式半导体气体传感器是在双电极系统的基础上增加的FET气体传感器一个栅电极,施加栅电压可以调节有源层半导体的电特性,其信号传输方式也是如此更丰富。


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电阻式半导体气体传感器原理简单,成本低,稳定性好。目前正在研究和应用气体传感器。根据敏感材料的不同,电阻式半导体气体传感器可分为金属氧化物传感器气体传感器、碳纳米管传感器和导电聚合物传感器各有优缺点。该领域得到了广泛的研究和应用。总之,合格的气体传感器需要具有高灵敏度、高选择性和良好的稳定性。半导体气体传感器的灵敏度定义为


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式中R和R2为气体进入前后传感器的电阻。对于一些不聪明的人来说,通常一个数量级)的传感器,通常用归一化电值来表示气敏传感器的灵敏度因子其中最重要的是敏感材料的类型以及具有不同比表面积的物理和气体周围材料。化学效应不同,所以反应也不同。


同样的材料由于其比表面积的不同而被传输传感器灵敏度的不同,高比表面积的材料往往具有较高的灵敏度。主要有三个指标:除了标准之外,气体传感器的响应时间也是一个重要因素。


它受到生物中气体分子吸收的影响。解吸速度控制。目前,用于电阻式半导体气敏元件的敏感材料主要有金属氧化物、碳等三种类型的敏感材料,如管和石墨烯,导电聚合物和这些材料的复合材料,都有各自的优点。介绍了基于这三类敏感材料的气体传感器的研究现状和存在的问题。


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