1、第七章 新型气体传感器及阵列第1页，共19页。7.1 概 述7.2 气体传感器敏感机理7.3 新型气体传感器及阵列目 录领域前沿科研思路基础加深概念第2页，共19页。7.1 概 述7.1.1气体传感器基本概念7.1.2 气体传感器的分类第3页，共19页。7.1.1 气体传感器基本概念气体传感器：是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。体积小体积小灵敏度高灵敏度高携带方便携带方便智能程度高智能程度高可远距离探测可远距离探测 第4页，共19页。7.1.1 气体传感器基本概念气体传感器必须满足下列条件：u 能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其它基准设定浓度；并能
2、及时给出报警、显示和控制信号；ppm：parts per million1ppm=1mg/kg=1mg/L =110-6 1ppb=110-9 第5页，共19页。7.1.1 气体传感器基本概念气体传感器必须满足下列条件：u 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；u 性能长期稳定性好；u 响应迅速、重复性好；u 维护方便、价格便宜等。交叉敏问题电子鼻标准的TO-5金属封装封装氧气、水汽、灰尘等影响第6页，共19页。7.1.2 气体传感器的分类气敏元件干式湿式半半导导体体式式半导体陶瓷型半导体陶瓷型厚膜型厚膜型薄膜和微粒子型薄膜和微粒子型固体电介质式（ZrO2）红外线吸收式导热率变化式（热线，热敏
3、电阻）以固定电位电解式为代表（极谱式，原电池式）接触燃烧式基于强催化剂使气体在传感器表面燃烧产生热量，使传感器温度上升，导致贵金属电极电导随之变化。当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收，通过光强的变化测试气体浓度一种以离子导体为电解质的化学电池 第7页，共19页。7.2 气体传感器敏感机理从材料设计的角度揭示决定传感器性能的三个关键因素：l 识别功能待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附 比表面积、氧化活性、表面酸碱度等 l 转换功能化学量向电学量（电阻）的转换能力敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等 l敏感体的利用效率 在待测气氛中敏感体电阻 变化部分占整个敏感体的比率 敏感材料的
4、多孔性、催化活性及待测气体的扩散系数等 国际著名传感器专家N.Yamazoe建立的氧化物半导体气体传感器的理论框架 第8页，共19页。v半导体气体传感器四种模式的气敏机理半导体气体传感器四种模式的气敏机理整体原子价控制理论整体原子价控制理论能级生成理论能级生成理论表面电荷层理论表面电荷层理论1.接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理第9页，共19页。若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。具有这种性质的气体称为氧化性气体，例如，O2，NOx等。若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸气体将把电
5、子给予元件而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸附性质的气体称为还原性气体，如H2，CO,HC和乙醇等。7.2 气体传感器敏感机理第10页，共19页。1.整体原子价控制理论整体原子价控制理论v本理论适用于钙钛矿型原子价控本理论适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物；制复合氧化物；v用用ABOABO3 3一般式来表示钛矿型氧一般式来表示钛矿型氧化物，其导电过程是通过化物，其导电过程是通过B B元素元素与氧组成的三维网孔状结构进行与氧组成的三维网孔状结构进行的；的；v气体的离解作用可以把网状构气体的离解作用可以把网状构造的某一部分切断，一旦发生造的某一部分切断，一旦发生这种现象，复合氧化物的电阻这种现象，复
6、合氧化物的电阻值将显著增加。值将显著增加。BaTiO3的晶体结构示意图 7.2 气体传感器敏感机理第11页，共19页。1.整体原子价控制理论整体原子价控制理论7.2 气体传感器敏感机理铁酸盐复合氧化物（P-MFe2O4）的气敏机理模型原始态P型-MFe2O4吸附氧吸附氧俘获电子，表层空穴浓度进一步增加，表面层电阻下降Fe3+Fe2+还原性气体表面Fe3+被还原成Fe2+，由于还原性气体的离解作用，使晶体结构中的电价配置和缺陷发生变化，导电的三维网络某一部分被切断，电阻升高第12页，共19页。2.2.能级生成理论能级生成理论7.2 气体传感器敏感机理N型半导体（SnO2、ZnO等）还原性气体氧化
7、性气体给电子束缚空穴R给空穴减少导带电子数R第13页，共19页。3.3.表面电荷层理论表面电荷层理论7.2 气体传感器敏感机理 在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级空间电荷层。从化学键模型角度，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施主杂质和受主杂质。EF表面能级氧化性气体：阴离子吸附气体分子吸取电子EF表面能级还原性气体：气体分子提供电子电荷层电导率阳离子吸附电荷层电导率第14页，共19页。4.4.接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理
8、v根据多晶半导体能带模型而提出根据多晶半导体能带模型而提出多晶硅薄膜SEM图价带禁带导带半导体晶粒半导体晶粒晶粒界面：界面势垒N型半导体第15页，共19页。4.4.接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理价带禁带导带半导体晶粒半导体晶粒晶粒界面氧化性气体吸取电子半导体晶粒半导体晶粒晶粒界面电子接受型气体：O2导带禁带价带N型半导体+势垒第16页，共19页。4.4.接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理价带禁带导带半导体晶粒半导体晶粒晶粒界面还原性气体提供电子半导体晶粒半导体晶粒晶粒界面电子供给型气体：NH3导带禁带价带N型半导体+势垒第17页，共19页。7.3.1 有机/无机纳米复合薄膜气体传感器的制备及特性研究7.3.2 有机薄膜晶体管气体传感器的制备及特性研究7.3.3 质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究7.3 新型气体传感器及阵列第18页，共19页。思考题气体传感器的概念及其需要满足的条件。氧化性气体；还原性气体简述半导体气体传感器的四种敏感机理模型。气体传感器器件结构有哪些？简述其检测原理。第19页，共19页。
