半導(dǎo)體氣體傳感器在可燃?xì)怏w檢測中的應(yīng)用

2023-11-13 15:33:59

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一款滿足新國標(biāo)要求的可燃?xì)怏w探測器，離不開核心元器件——氣體傳感器。

構(gòu)成氣體傳感器的材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類，其中半導(dǎo)體氣體傳感器是實際應(yīng)用得Z廣泛的一類傳感器。自1962年金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器問世以來，就以測量精準(zhǔn)、維護簡單、應(yīng)用靈活、可靠性高等優(yōu)點，深受傳感器市場歡迎。

Part.1

關(guān)于半導(dǎo)體型氣體傳感器

金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動（見圖1）。

半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器原理

在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位（晶界）才能形成電流。由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢壘隨之降低(見圖2），導(dǎo)致傳感器的阻值減小。

隨著厚膜印刷、MEMS等工藝的推廣，半導(dǎo)體氣體傳感器完成了微型化、智能化的迭代升級。工程師們逐漸研發(fā)出了在微型陶瓷基片的兩面分別制作加熱器和氣敏層的平面半導(dǎo)體氣體傳感器，縮小了體積、降低了功耗；后來又衍生出利用MEMS工藝的Si基微熱板和半導(dǎo)體材料組成的MEMS氣體傳感器，結(jié)構(gòu)更加堅固、功耗更低，也更便于集成。