溫度對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的影響研究

金貴新，李世偉

（河南漢威電子股份有限公司，鄭州450000）

溫度對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的影響研究

金貴新，李世偉

（河南漢威電子股份有限公司，鄭州450000）

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（MOS）既可以用于檢測(cè)ppm級(jí)的有毒氣體也可以用于檢測(cè)百分比濃度的易燃易爆氣體，無(wú)論是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)器還是在家庭中的報(bào)警器都有很廣泛的應(yīng)用。結(jié)合金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器在檢測(cè)有毒氣體時(shí)溫度對(duì)檢測(cè)精度的影響，提出相應(yīng)的溫度補(bǔ)償算法。實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)償后的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有毒氣體的準(zhǔn)確檢測(cè)。

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（MOS）；氣體傳感器；溫度；有毒氣體

0　引言

檢測(cè)有毒有害氣體已經(jīng)成為各行各業(yè)保護(hù)工作人員生命和健康、保護(hù)國(guó)家和個(gè)人財(cái)產(chǎn)不受損害、保護(hù)生產(chǎn)和生活環(huán)境不受污染的有力手段，并成為石油化工、煤礦生產(chǎn)、市政設(shè)施、環(huán)境保護(hù)等方面的一項(xiàng)日常工作。對(duì)應(yīng)各種有毒有害氣體主要的危害性質(zhì)和特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，我們針對(duì)性地選擇不同原理的傳感器技術(shù)已實(shí)現(xiàn)對(duì)它們檢測(cè)的同時(shí)，還需要兼顧到各種各樣的因素，如成本、精度要求等。

1　半導(dǎo)體傳感器

1.1半導(dǎo)體傳感器的基本工作原理

其敏感體主要是由半導(dǎo)體材料制成的，其中應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料不是常見(jiàn)的硅、鍺半導(dǎo)體，而是金屬氧化物半導(dǎo)體，在氣體傳感器領(lǐng)域中應(yīng)用最多的金屬氧化物是SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，WO3等。

半導(dǎo)體式氣體傳感器的基本工作原理：就是在一定條件（溫度）下，在被測(cè)氣體到半導(dǎo)體表面并與吸附在半導(dǎo)體表面的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中伴隨電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步引起半導(dǎo)體電阻的變化，通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體電阻的變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。

金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢(shì)壘升高，從而阻礙電子流動(dòng)。在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位（晶界）才能形成電流。由氧吸附產(chǎn)生的勢(shì)壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢(shì)壘。在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時(shí)，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢(shì)壘隨之降低。導(dǎo)致傳感器的阻值減小。

1.2半導(dǎo)體傳感器的分類(lèi)

（1）按傳感器所使用的敏感材料的差異可分為：SnO2類(lèi)、ZnO類(lèi)、Fe2O3類(lèi)等。因?yàn)閾诫s種類(lèi)繁多，此分類(lèi)不準(zhǔn)確；

（2）按傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異可分為旁熱式、直熱式、常溫式三類(lèi)。

被測(cè)氣體在半導(dǎo)體表面與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)通常需要一定的溫度，要獲得所需要的溫度就必須通過(guò)加熱器給傳感器通電加熱。當(dāng)加熱器與半導(dǎo)體材料為隔離狀態(tài)時(shí)，這一類(lèi)結(jié)構(gòu)的傳感器就是旁熱式氣體傳感器；當(dāng)加熱器與半導(dǎo)體材料直接接觸時(shí)，這一類(lèi)結(jié)構(gòu)的傳感器即為直熱式氣體傳感器；不需要附加加熱器的傳感器就是常溫式氣體傳感器。

2　金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器溫度補(bǔ)償

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的工作原理決定了其正常工作時(shí)需要有恒定的溫度條件，在工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)誤差將會(huì)大大增加。為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中不同溫度環(huán)境下的正常工作，對(duì)氣體濃度的精確檢測(cè)，必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。不同結(jié)構(gòu)和不同半導(dǎo)體材料的傳感器其特性也有區(qū)別，針對(duì)金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體傳感器測(cè)苯蒸汽，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，搜集整理了相應(yīng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，針對(duì)這種情況，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析，積累了溫度對(duì)于半導(dǎo)體傳感器輸出信號(hào)影響的數(shù)據(jù)，從而通過(guò)硬件處理與軟件算法結(jié)合的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，對(duì)溫度所引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

硬件電路上采用差動(dòng)運(yùn)放電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，軟件算法上通過(guò)內(nèi)置的儀器內(nèi)置的溫度傳感器，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)償。具體算法流程如下圖：

圖1　金屬氧化物傳感器溫度補(bǔ)償算法流程圖

如圖2所示，首先需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)分析建立不同溫度下傳感器濃度值變化數(shù)據(jù)的專(zhuān)家?guī)?，在用金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體傳感器測(cè)苯蒸汽設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器內(nèi)部要有精度較高的溫度傳感器，通過(guò)高精度的溫度傳感器獲取被測(cè)環(huán)境中的溫度值，根據(jù)被測(cè)氣體環(huán)境的溫度值，從專(zhuān)家?guī)熘姓{(diào)取對(duì)應(yīng)的溫度補(bǔ)償算法，然后將補(bǔ)償后的濃度值與補(bǔ)償前的濃度值進(jìn)行對(duì)比，與專(zhuān)家?guī)熘械慕?jīng)驗(yàn)值在一定的閾值范圍內(nèi)，接受該濃度值，否則重新調(diào)用專(zhuān)家?guī)熘械难a(bǔ)償算法，直至顯示出準(zhǔn)確的濃度值。

3　實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體傳感器測(cè)苯蒸汽溫度補(bǔ)償算法是否可以提高檢測(cè)精度，取某型號(hào)金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體測(cè)苯蒸汽傳感器50只，安裝在某廠家生產(chǎn)的50臺(tái)量程為0～1000ppm測(cè)苯蒸汽的氣體探測(cè)器（工作溫度-10℃～40℃）上，分別將其編號(hào)為1到50號(hào)。

苯蒸汽探測(cè)器使用沒(méi)有進(jìn)行任何溫度補(bǔ)償?shù)那度胧杰浖惴?，?0臺(tái)探測(cè)器同時(shí)放置在濃度200ppm的苯蒸汽環(huán)境中，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，調(diào)至室溫20℃，記錄每臺(tái)的數(shù)據(jù)，再依次升高至30℃、40℃、50℃，降低至0℃、-10℃，并分別記錄在不同溫度下的每一臺(tái)的濃度數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)每個(gè)溫度下的檢測(cè)到的濃度值進(jìn)行處理，得出在不同溫度下的濃度值。同樣，對(duì)500ppm濃度的NH3進(jìn)行相同的試樣。

將同樣的50只金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體傳感器測(cè)苯蒸汽傳感器安裝在帶有高精度內(nèi)置溫度傳感器且含有溫度補(bǔ)償專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)和溫度補(bǔ)償算法的50臺(tái)同樣的氣體探測(cè)器上。按照上述相同的試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在濃度為200ppm和500ppm濃度的苯蒸汽中，氣體探測(cè)器在有無(wú)溫度補(bǔ)償算法時(shí)不同溫度下探測(cè)器檢測(cè)到的實(shí)際濃度值如下圖所示：

圖2　金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器測(cè)苯蒸汽不同濃度下有無(wú)溫度補(bǔ)償對(duì)比

由上圖可知，在200ppm和500ppm時(shí)，沒(méi)有溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，傳感器檢測(cè)出的氣體濃度隨溫度變化非常大，誤差已經(jīng)超過(guò)允許范圍，通過(guò)硬件和軟件溫度補(bǔ)償之后，在不同溫度下，探測(cè)器檢測(cè)到的濃度值得誤差均在3%以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足使用要求。

4　結(jié)語(yǔ)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在使用金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體測(cè)苯蒸汽傳感器進(jìn)行苯蒸汽檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中的需求。在未來(lái)的工作中，將進(jìn)一步對(duì)電化學(xué)傳感器的性能進(jìn)行研究，將金屬氧化物（ZnO）半導(dǎo)體測(cè)苯蒸汽的溫度補(bǔ)償算法在其他的半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用上進(jìn)行移植，最終解決所有半導(dǎo)體傳感器在檢測(cè)時(shí)溫度的影響。

［1］駱熙.有毒有害氣體檢測(cè)設(shè)備傳感器技術(shù)［J］.電子世界，2014（16）.

［2］王磊.基于氣體傳感器陣列的揮發(fā)性有毒氣體檢測(cè)［D］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［3］陳沖，李林儒，陸天虹.電流型半導(dǎo)體傳感器電解液的研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用化學(xué)，2012，29（3）

［4］劉崇進(jìn)，陳明光，貝承訓(xùn)，倪新蕾，梁海生.氣體傳感器的發(fā)展概況和發(fā)展方向［J］.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，1999（02）.

［5］馬黎君.氣體傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及前景研究［J］.中國(guó)科技信息，2005（21）.

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Research on the Influence of Temperature on the Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor

JIN Gui-xin，LI Shi-wei
（Henan Hanwei Electronics Co.，Ltd，Zhengzhou 450000）

Metal oxide semiconductor（MOS）sensor can be used to detect the PPM level of toxic gas，and can also be used to detect the percentage concentration of flammable and explosive gas，both in the industrial field of detector and alarm in the family has a wide range of applications.Combined with the detection of toxic gas metal oxide semiconductor sensor when the temperature's influence on the accuracy，puts forward the corresponding temperature compensation algorithm.Experiments show that the compensation of metal oxide semiconductor sensor can realize accurate detection of toxic gases.

Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor；Gas Sensor；Temperature；Toxic Gas

1007-1423（2016）23-0043-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.23.011

李世偉（1989-），男，河南平頂山人，研究生，研究方向?yàn)闅怏w檢測(cè)儀器儀表、傳感器應(yīng)用

2016-08-01

2016-08-10

金貴新（1972-），男，河南信陽(yáng)人，本科，研究方向?yàn)闅怏w檢測(cè)儀器儀表、傳感器應(yīng)用