半导体气体传感器,是利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体性质变化,借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。
半导体气体传感器主要是利用半导体材料的物理化学特性或半导体器件的响应机制而开发出的一种气体传感器。它是随着半导体技术,特别是对半导体陶瓷材料研究的不断深入,逐渐发展起来的一类新型气体传感器。由于这类气敏元件以半导体技术为基础,具有固态化、集成化、体积小、工艺简单、成本低等优点,因此自出现以来获得了迅速发展,目前在环境监测、可燃气体监控以及医院环境的保护等方面得到了广泛应用。
随着气敏陶瓷材料、制备工艺、器件结构等方面研究的发展,目前半导体气体传感器检测气体的种类不断增多,不同结构与制备方法的半导体气敏元件层出不穷。
(1)按气敏材料分类分为半导体陶瓷和贵金属两大类。其中,半导体陶瓷感受被测气体前后,材料的电导率将发生变化,从而完成对特定气体检测;贵金属(如Pt、Pd等),其功函数随吸附气体的种类和浓度发生变化,利用这一特性,再结合一定的半导体器件实现对被吸附气体的测量。
(2)按制备工艺分类分为薄膜型、厚膜型、烧结型。
(3)按器件结构分类分为电阻型、二极管型、场效应晶体管型三大类。
(4)按加热方式分类分为直热式、旁热式两类。
半导体陶瓷是一种陶瓷类半导体材料,具有半导体材料的导电特性——基于电子/空穴的导电机制。这类材料的导电类型可根据陶瓷材料中各种元素的组成成分进行控制。在气体传感器领域中,常用的是金属氧化物半导体陶瓷,如SnO2、CuO、NiO、TiO2、ZnO等。
在金属氧化物半导体陶瓷中,金属离子作为电子的提供者,称为施主,氧离子作为电子的接受者,称为受主。两种成分相比,当金属离子过剩时,电子浓度高于空穴浓度,以电子导电为主,称为n型半导体陶瓷;反之,氧离子过剩时,以空穴导电为主,称为p型半导体陶瓷。则n型/p型半导体陶瓷的电导率δn/δp可表示为:
δn=Cnqμn
δp=Cpqμp
式中,Cn、Cp分别表示电子浓度和空穴浓度;μn、μp分别表示电子和空穴的电迁移率;q=1.6×10-19C,表示电荷电量。
理论上讲,当n型半导体陶瓷与还原性气体接触时,其中的氧离子与还原性气体反应,进一步造成材料内的金属离子过剩,电子浓度Cn进一步增加,从而使电导率增加;当与氧化性气体接触时,氧的吸附使材料内金属离子的相对含量降低,即使电子浓度Cn降低,电导率降低。这就是n型金属氧化物半导体陶瓷的气敏原理。
(1)半导体湿敏陶瓷
半导体湿敏陶瓷与半导体气敏陶瓷相似,也是一种具有半导体特性的陶瓷材料。就其成分而言,半导体湿敏陶瓷是各种不同类型的金属氧化物,准确化学剂量比的半导体陶瓷电阻率很高,属于绝缘体。通过掺入适量杂质的方法可以使其偏离理想化学剂量比,呈现出半导体的导电特性。
结构上,湿敏陶瓷是多孔状的多晶结构,晶粒内部具有大量电子或空穴,电阻率较低;晶粒间界中,由于存在大量的悬挂键,存在较大空间,不仅电子或空穴浓度远低于晶粒内部,而且迁移率很低,所以电阻率很高。因此,湿敏陶瓷在吸收水分子之前,呈现出高阻的状态。
水分子是一种极性分子,可以通过化学吸附和物理吸附两种方式进入多孔状半导体陶瓷的晶粒间界中。可见水分子的吸附使晶粒间界中形成O—H键构成网络,为电子或空穴在晶粒间的输运提供了通道。吸附的水分子越多,则越有利于电子或空穴在晶粒间输运,从而使材料的电阻率随着水分子吸附量的增加而降低。多数半导体陶瓷湿度传感器就是利用这一特性实现对湿度的测量。
(2)半导体陶瓷湿度传感器
半导体陶瓷湿度传感器是一种利用多孔状陶瓷材料吸收水分子前后电阻、电容等性能的变化,将湿度转化为电学量变化的传感器。
湿度是大气中所含的水蒸气含量,通常用两种方法表示:绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指特定空间内水蒸气的绝对含量,可用 kg·m-3 或水的蒸气压表示,如25℃时水的饱和蒸气压为4.5kPa(33.8mmHg)。相对湿度为某一待测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压之比的百分数,常以RH(%)表示,相对湿度越大表示水分子含量越高。在湿度传感器领域中,多采用相对湿度的表示方法。
对湿度传感器,要求在所测量的湿度范围内,应有一定的灵敏度。大多数半导体陶瓷湿度传感器是电阻性敏感元件,因此通常以相对湿度变化 1%时,阻值变化的百分率来表示其灵敏度
半导体陶瓷湿度传感器的动态特性是指电阻值的响应速度或响应时间。响应越快,动态特性越好。但实际上,环境湿度的变化与元件吸水量之间,需要一段时间才能达到平衡,这与材料本身的特性以及器件结构设计有关。因此不同器件间的动态特性差别很大,有的不到1s,有的则需要十几分钟。
温度特性也是湿度传感器的重要指标,通常以湿度温度系数表示,即温度每变化1℃,其阻值的变化相当于RH 变化的百分数,单位为RH(%)·℃-1。
半导体陶瓷湿度传感器与半导体陶瓷气体传感器在制备工艺上基本相同,也可分为薄膜型、厚膜型和烧结型。二者主要区别在于,湿敏陶瓷的感湿机制不同。
利用半导体湿敏陶瓷制成的湿度传感器工作范围宽、响应速度快、耐受环境能力强,是当今湿度传感器的发展方向。感湿后电阻降低,脱湿后电阻升高。
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