第9章半导体1气敏案例
半导体气敏元件
第1期(总第128期)2005年2月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o 11Feb 1文章编号:167226413(2005)0120105203半导体气敏元件吴义炳(福建农林大学机电学院,福建 福州 350002)摘要:首先介绍半导体气敏元件的工作原理,然后从制备工艺、基材现状、测量方法三方面进行了综述。
关键词:半导体;气敏元件;制备工艺中图分类号:TN 304192 文献标识码:A收稿日期:2004209210作者简介:吴义炳(19742),男,福建南平人,助教,本科。
0 引言随着纳米技术的发展,与该项技术相结合的半导体气敏器件由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长及成本低等优点,被广泛应用于检测各种有害气体、可燃气体、工业废气和环境污染气体。
气敏元件是检测环境气氛中某种(或某类)气体存在及其含量的基础。
气敏元件性能与敏感材料的种类、结构及制作工艺密切相关。
本文首先简单介绍半导体气敏传感器的工作原理,然后着重从制备工艺、基材现状、测量方法三方面进行综合性论述。
1 半导体气敏元件的工作原理半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时产生的电导率等物性的变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附),失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向的气体有O 2和NO 2,称为氧化性气体或电子接收性气体。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H 2、CO 、碳氢化合物和酒类等,称为还原性气体或电子供给性气体。
第九章半导体传感器
（1） MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛 湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件, 它是负特性 半导瓷, MgCr2O4为Ｐ型半导体, 它的电阻率低, 阻值温度特性 好, 结构如图9 - 7所示, 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多 孔金电极。
金电极与引出线烧结在一起, 为了减少测量误差, 在陶瓷 片外设置由镍铬丝制成的加热线圈, 以便对器件加热清洗, 排 除恶劣气氛对器件的污染。 整个器件安装在陶瓷基片上, 电 极引线一般采用铂-铱合金。
二、 气敏传感器的应用
气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜 型、厚膜型。
（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, 经加热成型后低温烧结而成。 目前最常 用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。
在势垒区内产生的光生电子和光生空穴, 则分别被电场 扫向N区和P区, 它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上述 过程如图9 - 11（a）所示。 图中Ec表示导带底能量; Ev表示 价带顶能量。 “ ”表示带正电荷的空穴; “· ”表示电子。 IL表示光电流, 它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载 流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成, 其方向是由N区流 向P区, 即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。
第九章-半导体式传感器可编辑全文
热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿 度传感器定时进行加热清洗。
负湿度系数
按指数规律下降
(a)电阻-湿度特性
(b)电阻-温度特性
图9.6 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
注意：
烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的
增加而加大，具有正特性。
正湿度系数
高分子湿敏元件
❖ 能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺 树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件 有电容式、电阻式、石英振动式等。
❖ 电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素， 高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好， 响应快，但环境温度不能超过80oC。
❖ 石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面， 形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变 化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏 元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。
❖ 半导体磁敏电阻 ❖ 磁敏二极管 ❖ 磁敏三极管
半导体磁敏电阻
❖ 利用半导体的磁阻效应制成的。 ❖ 磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响
而改变的现象。 ❖ 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利
用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角 度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。 ❖ 磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半 导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。
❖ 优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可 以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃 气体泄漏报警器。
❖ 缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测 量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 易造成接触不良。
旁热式
半导体气敏传感器用纳米SnO2的制备及表征
半导体气敏传感器用纳米SnO2的制备及表征第一章绪论1.1 CNTs和SnO2的研究背景CNTs具有很多优异而独特的电学、磁学、力学和光学性质，使其在结构增强，纳米电子器件、场发射、储氢、传感器等众多领域得到广泛的应用，成为世界科学研究的热点．CNTs具有中空结构和大的比表面积，对气体有很强的吸附能力，由于吸附的气体分子与CNTs相互作用，因而改变了它的费米能级，进而引起宏观电阻发生较大的改变，通过对电阻变化的测定即可检测气体的成分，因此，CNTs可用来制作气敏传感器．1.1.1 CNTs的发现和研究应用自从1991年日本电镜专家lijima意外发现CNTs以来，由于其具有独特的结构和优异的力学、电学、热学、储氢和场发射等性能，可望在场发射显示器件、纳米电子器件、超强度复合材料、储氢材料等诸多领域得到应用。
特别是CNTs管径为纳米级，长径比可达1000以上，比表面大且其抗拉强度是钢的10倍，碳纤维的200倍，而密度仅为钢的1/6，具有很好的柔韧性，被认为是制备纳米复合材料较理想的增强材料之一。
1.1.2 SnO2的特性和应用前景纳米SnO2是一种典型的ｎ型半导体材料，其Eg＝3.6 eV（300 K），具有优良的光电性能和气敏性能，在气敏元件、湿敏元件、薄膜电阻器、光电子器件、吸波材料、电极材料及太阳能电池等方面有着广泛的应用前景。
SnO2是一种广谱型的气敏材料。
当n型半导体SnO2器件放置于空气中时，表面会发生一系列反应，如活性点的吸附反应、催化反应及颗粒边界或三相界面的相反应。
氧与水分吸附在半导体表面时，从半导体表面获得电子，形成负电荷。
1.2 SnO2材料在气敏传感器中的应用在日益发展的现代社会里，工业废气、汽车尾气、家庭液化石油气、煤气、天然气的使用，不仅严重污染大气，破坏生态环境,而且有产生爆炸、火灾、使人中毒的危险，危害人类身体健康，因此对各种有害气体的预报、监测、报警受到广泛重视。
半导体气敏传感器概述、机理、结构和应用
2.含湿量，它表示每千克干空气所含有的水蒸
气量，单位是千克/千克·干空气;
3.相对湿度，表示空气中的绝对湿度与同温度
下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比
。(也就是指在一定时间内，某处空气中所含水
汽量与该气温下饱和水汽量的百分比，用RH表
示。
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2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳
半导体气 敏 传 感 器概述、机 理、结构和应用
一、概述 二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
2
1.气 敏 传 感 器
一、概述 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, 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-电转换的传感器种类很多， 按构成气敏传感器材料类别可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体 气敏传感器。
15
1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2 半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2 材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长； 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材 料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一 定限制。
半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究实验报告
半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究实验报告半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究报告半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究一、文献综述（一）半导体纳米粉体（1）半导体定义电阻率介于金属和绝缘体[1]之间并有负的电阻温度系数的物质。
半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧姆?米之间，温度升高时电阻率指数则减小。
半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。
在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。
导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。
这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。
导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。
复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。
在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。
温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。
无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。
导体纳米材料的概念纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
半导体金属氧化物气敏材料敏感机理概述
半导体金属氧化物气敏材料敏感机理概述下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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气敏、湿敏传感器
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
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表9-1 半导体气敏元件的分类
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，附着在传感元件表面，往 往会使其性能变差。
因此，对气敏元件有下列要求：
能长期稳定工作，重复性好，响应 速度快，共存物质产生的影响小等。
当氧化型气体吸附到 N 型半导体上， 还原型气体吸附到 P 型半导体上时，将
使半导体载流子减少，而使电阻值增大。
氧化型气体吸附到 P 型半导体上时，则
当还原型气体吸附到 N 型半导体上，
载流子增多，使半导体电阻值下降。
图 9-1 表示了气体接触 N 型半导体
时所产生的器件阻值变化情况。
器件电阻 / k 响应时间约 1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
第9章 半导体传感器
9.1 气敏传感器
9.2 湿敏传感器
9.3 色敏传感器
9.4 半导体传感器的应用
9.1 气 敏 传 感 器 9.1.1 概述 检测气体类别、浓度和成分的传感 器。 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有类别的气 体， 因此，能实现气 ——电转换的传感器 种类很多。
这些器件全部附有加热器。
加热器的作用: 将附着在敏感元件表面上的尘埃、 油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提 高器件的灵敏度和响应速度。 加热器的温度一般控制在200~400℃左右。
加热方式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 9-3所示。
1 SnO2 烧结体 1 2 3 4 Ir—Pd 合金丝 (加热器兼电极) (a )
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
由于空气中的含氧量大体上是恒定 的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件 阻值也相对固定。 若气体浓度发生变化，其阻值也将 变化。 根据这一特性，可以从阻值的变化 得知吸附气体的种类和浓度。
半导体气敏时间(响应时间)一般不 超过1min。
气敏传感器主要用于工业上的天然 气、煤气，石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒等有害气体的监测、预报和自
动控制。
9.1.2 半导体气敏传感器的机理 半导体气敏传感器是利用气体在半 导体表面的氧化和还原反应导致敏感元 件阻值变化而制成的。
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，
0.5 3 3
(单位 : mm)
氧化 物半导 体 Pt电极
氧化 铝基片 7 器件 加热用 的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
厚膜型器件
(c)
厚膜型器件将氧化物半导体材料与 硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶， 再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘 基片上，经烧结制成的。
元件机械强度高，离散度小，适合 大批量生产。
烧结型气敏器件
(a )
烧结型气敏器件以 SnO2 半导体材料 为基体，将铂电极和加热丝埋入 SnO2材
料中，
用加热、加压、温度为700~900℃的 制陶工艺烧结成形。
因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。
半导瓷内的晶粒直径为 1μm 左右， 晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气 体检测灵敏度则无很大的影响。 但由于烧结不充分，器件机械强度
体控制型半导体与气体的反应，使 半导体内部组成发生变化，而使电导率 变化。
按照半导体变化的物理特性，又可 分为电阻型和非电阻型。
电阻型半导体气敏元件是利用敏感 材料接触气体时，其阻值变化来检测气 体的成分或浓度。
非电阻型半导体气敏元件是利用其
它参数， 如二极管伏安特性和场效应晶体管
的阈值电压变化来检测被测气体的。
3
1 3
2
4 (b )
2 4
直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
直热式器件是将加热丝、 测量丝直 接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的， 工作时加热丝通电，测量丝用于测 量器件阻值。
这类器件制造工艺简单、成本低、 功耗小，可以在高电压回路下使用，
但热容量小，易受环境气流的影响， 测量回路和加热回路间没有隔离而相互 影响。
按照构成气敏传感器的材料可分为 半导体和非半导体两大类。 使用最多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感率等物理性质发生变化。
按照半导体与气体相互作用时产生 的变化只限于半导体表面或深入到半导 体内部，可分为：
表面控制型 体控制型。
表面控制型半导体表面吸附的气体 与半导体间发生电子接受， 结果使半导体的电导率等物理性质 发生变化， 但内部化学组成不变；
被吸附的分子首先在表面自由扩散， 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而固 定在吸附处（化学吸附）。 当半导体的功函数小于吸附分子的 亲和力 ( 气体的吸附和渗透特性 ) 时，吸 附分子将从器件夺得电子而变成负离子 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 H2 、 CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还 原型气体或电子供给型气体。
N型材料有SnO2、ZnO、TiO等， P型材料有MoO2、CrO3等。
9.1.3 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 组成：敏感元件、加热器、外壳 分类：烧结型、薄膜型、厚膜型
电极 (铂丝 )
氧化 物半导 体
加热 器 玻璃 (尺寸 约 1 mm ，也有 全为 半导 体的 )
烧结型器件制作方法简单，器件寿命长； 不高，电极材料较贵重，电性能一致性
较差，因此应用受到一定限制。
半导 体
0.5 mm
电极 0.6 mm
m 3
m
绝缘 基片 加热 器 电极 3 mm
薄膜型器件
薄膜型器件采用蒸发或溅射工艺，
在石英基片上形成氧化物半导体薄 膜（其厚度小于 100nm ），制作方法简 单。 SnO2半导体薄膜的气敏特性最好， 但这种半导体薄膜为物理性附着， 因此器件间性能差异较大。