气敏传感器课件.ppt
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- 传感器 课件
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1、 电子科学学院电子科学学院仪器科学与技术仪器科学与技术气敏传感器气敏传感器 气敏传感器的作用相当于我们的气敏传感器的作用相当于我们的鼻子,可鼻子,可“嗅嗅”出空气中某种特定的出空气中某种特定的气体,并判定气体的浓度,从而气体,并判定气体的浓度,从而实现对气体成分的检测和监测,实现对气体成分的检测和监测,以改善人们的生活水平,保障人们以改善人们的生活水平,保障人们的生命。的生命。环境污染、火灾报警环境污染、火灾报警煤矿煤矿化工化工气体浓度的表示?气体浓度的表示?对环境大气(空气)中污染物对环境大气(空气)中污染物浓度浓度的表示方法有两种:的表示方法有两种:1、质量质量浓度表示法:每立方米空气中所
2、含污染物的质量浓度表示法:每立方米空气中所含污染物的质量数,即数,即mg/m32、体积体积浓度表示法:一百万体积的空气中所含污染物的浓度表示法:一百万体积的空气中所含污染物的体积数,即体积数,即ppm 大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度(ppm)。而按中国规定,特别是环保部门,则要求气体浓度)。而按中国规定,特别是环保部门,则要求气体浓度以质量浓度的单位(以质量浓度的单位(mg/m3)表示,中国的标准规范也都是采)表示,中国的标准规范也都是采用质量浓度单位(如:用质量浓度单位(如:mg/m3)表示。)表示。什么是气敏传感器?什么是气敏传感器
3、?气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多由于气体种类繁多,性质各不相同,不可能用一种传感器检测所性质各不相同,不可能用一种传感器检测所有类别的气体,因此,能实现气有类别的气体,因此,能实现气-电转换的传感器种类很多,按电转换的传感器种类很多,按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气际使用最多的是半导体气敏传感器。敏传感器。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒
4、精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器二氧化碳浓度传感器二氧化碳浓度传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量汽车尾气分析汽车尾气分析有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用1 1、气敏传感器的性能要求:、气敏传感器的性能要求:l 对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体具有较高的灵敏度l 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 l 性能稳定,重复性好性能稳
5、定,重复性好 l 动态特性好,对检测信号响应迅速动态特性好,对检测信号响应迅速l 使用寿命长使用寿命长 l 制造成本低,使用与维护方便等制造成本低,使用与维护方便等 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。因此,对气敏应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。因此,对气敏元件有下列
6、要求:元件有下列要求:2、常见气敏传感器的分类、常见气敏传感器的分类 3、半导体气敏传感器的机理半导体气敏传感器的机理 半导体式气敏传感器:半导体式气敏传感器:利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体的利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体的电电导率导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度成分或者浓度材料:气敏电阻的材料是金属氧化物半导体;材料:气敏电阻的材料是金属氧化物半导体;其中其中P型:如氧化钴、型:如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。氧化铅、氧化铜、氧化镍等。N型:如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。型:如氧化锡、氧化铁、氧化锌
7、、氧化钨等。合成材料有时还渗入了催化剂合成材料有时还渗入了催化剂,如钯(如钯(Pd)、铂)、铂(Pt)、银()、银(Ag)等。表表7-1 半导体气敏元件的分类半导体气敏元件的分类 基本原理基本原理 是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。值变化而制成的。半导体气敏材料半导体气敏材料吸附气体的能力很强吸附气体的能力很强。当半导体器件被加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表面物性自由扩散,失去运动能量,一部附的分子首先在表面物性
8、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而固定在分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。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时,当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时,吸附分吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,半导体表面半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为为氧化型气体或电子接收性气体氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分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
9、器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正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石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、离子吸附倾向的气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。乙烷、煤气、天然气、氢气等。它们被称为它们被称为还原型气还原型气体或电子供给性气体体或电子供给性气体,也就是在化学反应中能给出电,也就是在化学反应中能给出电子,化学价升高的气体;多数属于可燃性气体。子,化学价升高的气体;多数属于可燃性气体。当当氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体型半导体(SnO2,ZnO)上,上,还原型气体吸附到还原型气体吸附到P型半导体型半导体(CrO3)上时,将上
10、时,将使半导体载流子减少,而使电阻值增大。使半导体载流子减少,而使电阻值增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体型半导体上,氧化型气体吸附到吸附到P型半导体上时,则载流子增多,使半型半导体上时,则载流子增多,使半导体电阻值下降。导体电阻值下降。图图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100550加热开关大气中2 min 4 min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1 min以内器件电阻/k规则总结规则总结:氧化型气体氧化型气体N型半导体:载流子数下降,型半导体:载流子数下降,电阻增加电阻增加还原型气体还原型气体N型半
11、导体:载流子数增加,型半导体:载流子数增加,电阻减小电阻减小氧化型气体氧化型气体P型半导体:载流子数增加,型半导体:载流子数增加,电阻减小电阻减小还原型气体还原型气体P型半导体:载流子数下降,型半导体:载流子数下降,电阻增加电阻增加 4、半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 图图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件;烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;薄膜型器件;(c)厚膜型器件厚膜型器件 330.5(单位:mm)7(c)氧化铝基片Pt电极氧化物半导体器件加热用的加热器(印制厚膜电阻)图
12、图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件;烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;薄膜型器件;(c)厚膜型器件厚膜型器件 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种,因而形成了直热由于加热方式一般有直热式和旁热式两种,因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图9-3所所示。示。图图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号直热式气敏器件的结构及符号(a)结构;结构;(b)符号符号1234SnO2烧结体IrPd合金丝(加热器兼电极)13242 41 3(a)(b)旁热式气敏器件的结构及符号如图旁热式气
13、敏器件的结构及符号如图9-4所示所示图图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号旁热式气敏器件的结构及符号(a)旁热式结构;旁热式结构;(b)符号符号 2.非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容二极管的电容电压特性的变化以及电压特性的变化以及MOS场效应晶体管场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于类器件的制造工艺成熟,便于器件集成化,因而其性能稳定于类器件的制造工艺成熟,便于器件集成化,因而其性
14、能稳定且价格便宜。且价格便宜。利用特定材料还可利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。以使器件对某些气体特别敏感。(1)MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程二极管气敏元件制作过程是在是在P型半导体硅片上,利用热氧化工艺生成一层厚度为型半导体硅片上,利用热氧化工艺生成一层厚度为50100 nm的二氧化硅的二氧化硅(SiO2)层,然后在其上面蒸发一层钯层,然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金的金属薄膜,作为栅电极,如图属薄膜,作为栅电极,如图9-5(a)所示。所示。图图 9-5 MOS二极管结构和等效电路二极管结构和等效电路(a)结构;结构;(b)等效电路;等效电路;
15、(c)C-U特性特性 M(Pd)SiO2PSiCaCsCOVab(a)(b)(c)(2)MOS场效应晶体管气敏器件场效应晶体管气敏器件 钯钯-MOS场效应晶体管场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构,的结构,参见图参见图9-6。图图 9-6 钯钯MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构PSiNNAlSiO2DSPd栅(1)气敏元件灵敏度特性气敏元件灵敏度特性烧结型、薄膜型和厚膜型烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对气敏器件对气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件的阻值的阻值RC与空气中被测气体的浓度与空气中被测气体的浓度C成对成对数关系:数关系:log
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