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，也通過相關(guān)的實例證明了半導(dǎo)體氣敏傳感器的實際應(yīng)用，說明了半導(dǎo)體氣敏傳感器在測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，因此在實際應(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：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0079-02

在工業(yè)上，通常會有檢測氣體濃度以及所含成分的需要，這個時候半導(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程當中，其半導(dǎo)體金屬氧化物的表面與待測氣體在接觸之時會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并通過這一過程中產(chǎn)生的電導(dǎo)率的物性變化從而檢測出相應(yīng)的氣體成分。

半導(dǎo)體對兩種氣體都具有吸附能力，N型半導(dǎo)體會對氧化型氣體起到吸附的作用，P型半導(dǎo)體會對還原型氣體起到吸附作用，在發(fā)生吸附作用之時，載流子會相應(yīng)減少，這時半導(dǎo)體的電阻會增大。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，接觸的時間一般在1 min，舉例來講，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)。當所測量的氣體融入這樣恒穩(wěn)定狀態(tài)的氣體之中，器件的表層會發(fā)生吸附從而器件的電阻值會發(fā)生變化，并且器件的阻值會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可燃氣體測定的方法，可以說半導(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際運用當中，并且憑借其氣體成分檢測功能實現(xiàn)了對城市煤氣泄漏情況的檢測以及警示。為了實現(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 提高氣體的檢測靈敏度

化學(xué)氣體由于其特質(zhì)對人體具有不同的影響，因此環(huán)境以及衛(wèi)生部門對使用氣體的濃度都有相應(yīng)的規(guī)定標準，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)境友好型社會的繼續(xù)保持，因此相應(yīng)的對半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣體檢測精度提出了要求，希望其檢測濃度能夠精確到10%的氣體。

3.1.2 減少共存氣體的影響

在檢測的過程當中，除了能夠探測到被要求的探測氣體之外，還存在著很多其他氣體，由于其他氣體也會對半導(dǎo)體氣敏傳感器形成探測影響，這就對傳感器的設(shè)計提出了要求，相應(yīng)的傳感器不能夠受到其他氣體的影響，否則會對探測結(jié)果產(chǎn)生誤差。

3.1.3 延長傳感器的壽命

半導(dǎo)體氣敏傳感器在檢測氣體的過程當中，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個月多則3年，出于對材料的節(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

在使用過程當中，氣敏傳感器需要對校正氣體進行校正，并且需要根據(jù)不同氣體具有的不同特質(zhì)從而設(shè)定不同的校正時間，一般的校正時間為6個月校正一次，這樣更能夠保持數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。而部分溶水反應(yīng)較強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驗結(jié)果會比較復(fù)雜，這就需要設(shè)計出不需要校正的氣敏傳感器，從而避免實驗結(jié)果誤差的情況出現(xiàn)。

3.1.5 擴大環(huán)境使用范圍

由于多種因素的制衡，使得所探測的氣體靈敏度會受到一定的影響，因此，將電位進行反復(fù)設(shè)定以及電解質(zhì)、電極材料進行更新，能夠在一定程度上提高所探測氣體的靈敏度，并且能夠?qū)⒐泊鏆怏w帶來的實驗誤差降到最低。電極材料在使用中大多會采用鉑、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氣體的靈敏度。可以通過相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)的方式來除掉共存氣體，傳感器也能夠通過電氣特點的差異性來將共存氣體對所探測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)揮其檢測氣體性質(zhì)的作用，一般用來做檢漏儀、報警器以及自動控制儀器和測試儀器。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，獲取信號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其檢測氣體成分的作用來檢測出空氣中的有害氣體，并通過其他反應(yīng)方式將其分解，起到了防治公害的作用。

參考文獻

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