關于半導體氣敏傳感器的原理及應用

徐艷華++張建平++蘇燕++代亭

摘 要：該文探討了半導體氣敏傳感器的基本工作原理以及具體實際應用技術，并且介紹了氣敏傳感器在性能方面的不足之處以及相應的改善措施，也通過相關的實例證明了半導體氣敏傳感器的實際應用，說明了半導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，因此在實際應用上也發揮了巨大作用。

關鍵詞：半導體 傳感器 原理 應用

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，這個時候半導體氣敏傳感器就能夠發揮它的作用，由于其基本工作原理的特殊性，使得其能夠實現這一工作要求。除此之外，半導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裝置中的廢氣氣體、家庭中存在的可燃性氣體，因此，半導體氣敏傳感器還能夠完成一定的防治公害任務，在環境的檢測與監控上也能夠做出相應的工作成果。

1 半導體氣敏傳感器的基本工作原理

半導體氣敏傳感器是由氣敏以及加熱絲、防爆網構成，并且氣敏中含有氧化錫、三氧化二鐵以及氧化鋅等。半導體氣敏傳感器在工作的過程當中，其半導體金屬氧化物的表面與待測氣體在接觸之時會發生化學反應，并通過這一過程中產生的電導率的物性變化從而檢測出相應的氣體成分。

半導體對兩種氣體都具有吸附能力，N型半導體會對氧化型氣體起到吸附的作用，P型半導體會對還原型氣體起到吸附作用，在發生吸附作用之時，載流子會相應減少，這時半導體的電阻會增大。與此截然不同的是，N型半導體如果吸附的是還原型氣體，P型半導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，含氧量一般是恒穩定的，借此可以推斷出氧的吸附物質的能量也是恒穩定的，并且氣敏器件的阻值也是保持穩定不變的狀態。當所測量的氣體融入這樣恒穩定狀態的氣體之中，器件的表層會發生吸附從而器件的電阻值會發生變化，并且器件的阻值會因氣體濃度的變化也發生相應的反應，因此能夠在濃度與阻值的變化形態上推測出氣體的基本濃度。

2 半導體氣體傳感器發展現狀

相關數據資料表明，半導體金屬氧化物的導電性對氣體環境的要求是十分復雜的，在1962年才有專家學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，可以說半導體氣敏傳感器的發展歷史較為艱難。在此之后，科學家通過改變器件敏感特性的方式使得半導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了對城市煤氣泄漏情況的檢測以及警示。為了實現人們生活的便利化發展，需要半導體傳感器發揮更多的功能，因此科學家經過不懈的努力將半導體傳感器的靈敏度、特異性選擇以及恒穩定性都提高了幾個層次，近期科學家還在研究半導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的潛在特性。

3 半導體氣敏傳感器的應用

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

化學氣體由于其特質對人體具有不同的影響，因此環境以及衛生部門對使用氣體的濃度都有相應的規定標準，出于工業使用或者其他使用用途，大量具有毒性氣體頻繁被使用，為了環境友好型社會的繼續保持，因此相應的對半導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體氣敏傳感器形成探測影響，這就對傳感器的設計提出了要求，相應的傳感器不能夠受到其他氣體的影響，否則會對探測結果產生誤差。

3.1.3 延長傳感器的壽命

半導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溶液成分的不同，使得半導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，出于對材料的節約以及使用便利的目的，相應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，并且需要根據不同氣體具有的不同特質從而設定不同的校正時間，一般的校正時間為6個月校正一次，這樣更能夠保持數據的穩定性。而部分溶水反應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果會比較復雜，這就需要設計出不需要校正的氣敏傳感器，從而避免實驗結果誤差的情況出現。

3.1.5 擴大環境使用范圍

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，將電位進行反復設定以及電解質、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，并且能夠將共存氣體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對共存氣體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。可以通過相應的化學物質反應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 氣敏傳感器的應用

半導體氣敏傳感器在應用上主要發揮其檢測氣體性質的作用，一般用來做檢漏儀、報警器以及自動控制儀器和測試儀器。相應地使用到的方法是將氣體與電子轉化，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穩定、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，并通過其他反應方式將其分解，起到了防治公害的作用。

參考文獻

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