半导体气体传感器 开讲了｜Part2分解：气体传感器系列之半导体气体传感器知识详解

开讲了｜Part2分解：气体传感器系列之半导体气体传感器知识详解

>> 气体传感器门类众多，本号每日一篇详细介绍多种常见的不同工作原理的气体传感器相关知识。

分解

半导体气体传感器知识

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半导体气体传感器

什么是半导体传感器？

半导体传感器(semiconductor transducer)是指利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和 Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半导体传感器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。

什么是半导体气体传感器？

半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器，是最常见的气体传感器，广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置，适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。

半导体气体传感器原理：

在一定的温度条件下，被测气体到达半导体敏感材料表面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系，通过测量电阻的变化即可测得气体浓度。

单支半导体气体传感器通过选择性催化、物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。大规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确识别。

半导体气体传感器分类

半导体顾名思义是电导率介于绝缘体与导体之间的物质。

半导体气体传感器的敏感材料就这么一种物质。

☆ 按照传感器所使用的敏感材料的差异可分为：SnO2、ZnO、WO3、Fe2O3等型；

☆ 按传感器内部结构的差异可分为：管状旁热式、平面旁热式、直热式、常温式以及MEMS式五类。

※ 当加热器与半导体材料为隔离状态时，这一类结构的传感器就是旁热式气体传感器，旁热式又可分为管状旁热式(见图a)和平面旁热式(见图b)两种。

※ 当加热器与半导体材料直接接触时，这一类结构的传感器即为直热式气体传感器(见图c)。

※ 不需要附加加热器的传感器就是自加热式传感器(见图d)。

常见的气体敏感材料分为表面控制型和体控制型。表面控制即电阻由晶粒表面和晶粒晶界控制，体控制即电阻由晶粒尺寸和载流子浓度控制。

用于气体传感器的半导体材料除具有半导体的属性外还需要具备以下条件：

a、易获得；

b、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力；

c、自身有良好催化特性；

d、机械结构可调；

e、电性能可调；

f、烧结性能好；

g、氧气和被测气体在室温或一定的温度条件下，在其表面有很好的化学反应能力并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力；

h、与其它辅助材料成型后有较好的相融性、化学稳定性并有适合的微缺陷等，符合这种条件的常见材料有二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。

这里最重要的是概念与性能的对应关系：温度-功耗、漂移；吸附及化学反应-灵敏度、选择性、漂移、线性、初始稳定时间以及响应时间；脱附-恢复时间。

半导体类传感器应用

半导体传感器特点：

半导体传感器优点：廉价、耐用、设计及制造过程简单。

半导体传感器弱点: 功耗大、漂移、线性差。

无论其优点还是弱点均与上述对应关系相关。如漂移：传感器会吸附氧气，当氧气浓度变化时(如雨天，氧浓度变小)，吸附量会变化，零点必会漂啊漂。

总之半导体传感器的优缺点首先是由其工作原理决定的，是先天的。后天的设计、制造可以改善，但不能消除。

气体传感器门类众多，明日详细介绍——红外气体传感器 相关知识，敬请期待！

半导体式气体传感器的工作原理

半导体式气体传感器是如何检测气体的？

今天为大家讲一下半导体式气体传感器的工作原理。它主要由加热丝和敏感材料所构成。

·敏感材料在加热丝的上方，加热丝可以将敏感材料随时加热到数百摄氏度。而电流通过的难易程度取决于敏感材料中存在的只有电子数量，电子数量越多电流越容易通过。拥有这种性质的材料被用于半导体式气体传感器上。

·敏感材料被放在洁净的空气中，空气中的氧气会捕获敏感材料上的自由电子，从而使传感器的电阻值上升，形成电流难以通过的状态。

·另一方面，当敏感材料被暴露于还原性气体中，比如甲烷与丙烷中时，被吸附的氧气会以还原性气体发生燃烧反应，这时被捕获的自由电子就得以释放。其结果就是导致传感器的电阻值下降，电流更容易通过。

·当继续提高还原性气体的浓度时，更多的自由电子被释放，电阻值下降的越多电流就越容易通过。

通过实验表明，空气中的还原性气体浓度与传感器的电阻值呈现出一定的相关关系，此关系就成为传感器的灵敏度和选择性。

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