關(guān)于半導(dǎo)體氣敏傳感器的原理及應(yīng)用

徐艷華++張建平++蘇燕++代亭

摘 要：該文探討了半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本工作原理以及具體實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，并且介紹了氣敏傳感器在性能方面的不足之處以及相應(yīng)的改善措施，也通過(guò)相關(guān)的實(shí)例證明了半導(dǎo)體氣敏傳感器的實(shí)際應(yīng)用，說(shuō)明了半導(dǎo)體氣敏傳感器在測(cè)量方面的有用之處以及所需材料少但反映效果良好的特點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用上也發(fā)揮了巨大作用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體 傳感器 原理 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0079-02

在工業(yè)上，通常會(huì)有檢測(cè)氣體濃度以及所含成分的需要，這個(gè)時(shí)候半導(dǎo)體氣敏傳感器就能夠發(fā)揮它的作用，由于其基本工作原理的特殊性，使得其能夠?qū)崿F(xiàn)這一工作要求。除此之外，半導(dǎo)體氣敏傳感器還能夠檢測(cè)到工廠車間存在的有害氣體以及工業(yè)裝置中的廢氣氣體、家庭中存在的可燃性氣體，因此，半導(dǎo)體氣敏傳感器還能夠完成一定的防治公害任務(wù)，在環(huán)境的檢測(cè)與監(jiān)控上也能夠做出相應(yīng)的工作成果。

1 半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本工作原理

半導(dǎo)體氣敏傳感器是由氣敏以及加熱絲、防爆網(wǎng)構(gòu)成，并且氣敏中含有氧化錫、三氧化二鐵以及氧化鋅等。半導(dǎo)體氣敏傳感器在工作的過(guò)程當(dāng)中，其半導(dǎo)體金屬氧化物的表面與待測(cè)氣體在接觸之時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并通過(guò)這一過(guò)程中產(chǎn)生的電導(dǎo)率的物性變化從而檢測(cè)出相應(yīng)的氣體成分。

半導(dǎo)體對(duì)兩種氣體都具有吸附能力，N型半導(dǎo)體會(huì)對(duì)氧化型氣體起到吸附的作用，P型半導(dǎo)體會(huì)對(duì)還原型氣體起到吸附作用，在發(fā)生吸附作用之時(shí)，載流子會(huì)相應(yīng)減少，這時(shí)半導(dǎo)體的電阻會(huì)增大。與此截然不同的是，N型半導(dǎo)體如果吸附的是還原型氣體，P型半導(dǎo)體吸附的是氧化型氣體則會(huì)使得載流子增多從而電阻減小。半導(dǎo)體氣敏傳感器與氣體，接觸的時(shí)間一般在1 min，舉例來(lái)講，N型材料一般使用氧化錫、氧化鋅、二氧化鈦以及三氧化二鎢等，P型材料一般使用二氧化鉬以及三氧化鉻等。

在空氣之中，含氧量一般是恒穩(wěn)定的，借此可以推斷出氧的吸附物質(zhì)的能量也是恒穩(wěn)定的，并且氣敏器件的阻值也是保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)。當(dāng)所測(cè)量的氣體融入這樣恒穩(wěn)定狀態(tài)的氣體之中，器件的表層會(huì)發(fā)生吸附從而器件的電阻值會(huì)發(fā)生變化，并且器件的阻值會(huì)因氣體濃度的變化也發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)，因此能夠在濃度與阻值的變化形態(tài)上推測(cè)出氣體的基本濃度。

2 半導(dǎo)體氣體傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

相關(guān)數(shù)據(jù)資料表明，半導(dǎo)體金屬氧化物的導(dǎo)電性對(duì)氣體環(huán)境的要求是十分復(fù)雜的，在1962年才有專家學(xué)者研究出采用氧化鋅膜以及氧化錫元件對(duì)可燃?xì)怏w測(cè)定的方法，可以說(shuō)半導(dǎo)體氣敏傳感器的發(fā)展歷史較為艱難。在此之后，科學(xué)家通過(guò)改變器件敏感特性的方式使得半導(dǎo)體器件能夠廣泛地推廣到人們生活實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，并且憑借其氣體成分檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市煤氣泄漏情況的檢測(cè)以及警示。為了實(shí)現(xiàn)人們生活的便利化發(fā)展，需要半導(dǎo)體傳感器發(fā)揮更多的功能，因此科學(xué)家經(jīng)過(guò)不懈的努力將半導(dǎo)體傳感器的靈敏度、特異性選擇以及恒穩(wěn)定性都提高了幾個(gè)層次，近期科學(xué)家還在研究半導(dǎo)體傳感器具有的其他性能，從而能夠完成更多有利于人們生活便利以及提高生活品質(zhì)的潛在特性。

3 半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用

3.1 氣敏傳感器的性能改善方式

3.1.1 提高氣體的檢測(cè)靈敏度

化學(xué)氣體由于其特質(zhì)對(duì)人體具有不同的影響，因此環(huán)境以及衛(wèi)生部門(mén)對(duì)使用氣體的濃度都有相應(yīng)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，出于工業(yè)使用或者其他使用用途，大量具有毒性氣體頻繁被使用，為了環(huán)境友好型社會(huì)的繼續(xù)保持，因此相應(yīng)的對(duì)半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣體檢測(cè)精度提出了要求，希望其檢測(cè)濃度能夠精確到10%的氣體。

3.1.2 減少共存氣體的影響

在檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，除了能夠探測(cè)到被要求的探測(cè)氣體之外，還存在著很多其他氣體，由于其他氣體也會(huì)對(duì)半導(dǎo)體氣敏傳感器形成探測(cè)影響，這就對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)提出了要求，相應(yīng)的傳感器不能夠受到其他氣體的影響，否則會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差。

3.1.3 延長(zhǎng)傳感器的壽命

半導(dǎo)體氣敏傳感器在檢測(cè)氣體的過(guò)程當(dāng)中，由于氣體種類以及電解質(zhì)溶液成分的不同，使得半導(dǎo)體氣敏傳感器具有多種類型，其使用壽命少為6個(gè)月多則3年，出于對(duì)材料的節(jié)約以及使用便利的目的，相應(yīng)的研究者需要提高傳感器的使用壽命最少為1年。

3.1.4 免校正

在使用過(guò)程當(dāng)中，氣敏傳感器需要對(duì)校正氣體進(jìn)行校正，并且需要根據(jù)不同氣體具有的不同特質(zhì)從而設(shè)定不同的校正時(shí)間，一般的校正時(shí)間為6個(gè)月校正一次，這樣更能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性。而部分溶水反應(yīng)較強(qiáng)的氣體如氯化氫以及氟化氫在使用校正型傳感器后提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)比較復(fù)雜，這就需要設(shè)計(jì)出不需要校正的氣敏傳感器，從而避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差的情況出現(xiàn)。

3.1.5 擴(kuò)大環(huán)境使用范圍

由于多種因素的制衡，使得所探測(cè)的氣體靈敏度會(huì)受到一定的影響，因此，將電位進(jìn)行反復(fù)設(shè)定以及電解質(zhì)、電極材料進(jìn)行更新，能夠在一定程度上提高所探測(cè)氣體的靈敏度，并且能夠?qū)⒐泊鏆怏w帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差降到最低。電極材料在使用中大多會(huì)采用鉑、金等金屬，并且采用的新型電極材料能夠?qū)泊鏆怏w的排除具有良好的效果，這樣能夠在極大程度上提高所探測(cè)氣體的靈敏度。可以通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)的方式來(lái)除掉共存氣體，傳感器也能夠通過(guò)電氣特點(diǎn)的差異性來(lái)將共存氣體對(duì)所探測(cè)氣體造成的影響降到最低。

3.2 氣敏傳感器的應(yīng)用

半導(dǎo)體氣敏傳感器在應(yīng)用上主要發(fā)揮其檢測(cè)氣體性質(zhì)的作用，一般用來(lái)做檢漏儀、報(bào)警器以及自動(dòng)控制儀器和測(cè)試儀器。相應(yīng)地使用到的方法是將氣體與電子轉(zhuǎn)化，從而使得氣敏器件獲得信號(hào)，獲取信號(hào)的方式具體為利用吸附平衡狀態(tài)穩(wěn)定、吸附平衡速度以及吸附平衡值與溫度的依存性。除此之外，半導(dǎo)體氣敏傳感器還能夠通過(guò)其檢測(cè)氣體成分的作用來(lái)檢測(cè)出空氣中的有害氣體，并通過(guò)其他反應(yīng)方式將其分解，起到了防治公害的作用。

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