半導體氣體傳感器的工作原理及應用

氣體傳感器在環(huán)境監測中具有重要作用。如今，氣體傳感器檢測氣體的方法和手段有很多種，包括電化學(xué)氣體傳感器檢測法、氣相色譜法、導熱法、紅外吸收法、接觸燃燒法、半導體氣體傳感器檢測法、光纖法等等。不過(guò)從材料的應用范圍、普及程度以及實(shí)用性來(lái)看，半導體氣體傳感器的應用無(wú)疑是占據了氣體傳感器的半壁江山。

一、什么是半導體氣體傳感器？

想要具體了解什么是半導體傳感器，首先我們應當知道什么是半導體。

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發(fā)電、照明應用、大功率電源轉換等領(lǐng)域應用。如二極管就是采用半導體制作的器件。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟發(fā)展的角度來(lái)看，半導體的重要性都是非常巨大的。

二、半導體傳感器的分類(lèi)

半導體傳感器包括非電阻式氣體傳感器和電阻式氣體傳感器。

1、非電阻式氣體傳感器主要是利用一些物理效應與器件特性來(lái)檢測氣體，如肖特基二極管的伏安特性和金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管閥值電壓變化等特性。

2、電阻式氣體傳感器是利用其阻值變化來(lái)檢測氣體濃度。此類(lèi)傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、成本低廉、響應時(shí)間和恢復時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，市面上常見(jiàn)的半導體氣體傳感器大都為電阻式氣體傳感器。

三、半導體氣體傳感器的工作原理

在真空中（沒(méi)有外界干擾時(shí)），半導體材料內部有很多電子可以導電，在半導體在接觸空氣后會(huì )吸附氧，氧會(huì )捕獲并固定那些半導體內的電子，我們以監測甲烷為例：在此狀態(tài)下如果半導體接觸到象甲烷這樣的氣體，甲烷就會(huì )把氧氣反應掉，那些被氧捕獲得電子就重獲自由，回到半導體內，改善其導電性能。這個(gè)過(guò)程是電子在氧和半導體之間交換的過(guò)程，電子被氧固定時(shí)，半導體電阻變大；甲烷反應掉氧，電子回到半導體中時(shí)，半導體電阻就小。電阻變化就和甲烷濃度相關(guān)聯(lián)，通過(guò)測得半導體電阻變化就可以知道對應的甲烷的多少。

四、什么材料適合用于半導體氣體傳感器？

1、原料易獲得；

2、在較低溫度下對氧氣和目標氣體有很好的吸附能力，二者有很好的化學(xué)反應能力，并在該溫度下對反應產(chǎn)物有較好的脫附能力；

3、與其他輔助材料成型后有較好的相容性、化學(xué)穩定性、并有適合的微缺陷電導率等。

符合這種條件的常見(jiàn)材料二氧化錫、氧化鎢、氧化銦、偏錫酸鋅等。

五、半導體氣體傳感器的未來(lái)前景

在眾多的氣體傳感器門(mén)類(lèi)中，半導體氣體傳感器是非常具有發(fā)展前景的氣體傳感器。原因就在于其工作原理、傳感過(guò)程極其簡(jiǎn)單，即氣體信息只需一個(gè)步驟就可以變?yōu)殡娦盘?；其次便是傳感載體穩定；再者造價(jià)較為便宜。以上特點(diǎn)不僅為其進(jìn)化提供了清楚的路徑和空間，也為未來(lái)的大規模布設提供了經(jīng)濟上的可行性。

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