半導(dǎo)體氣體傳感器的工作原理及應(yīng)用

氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測中占有重要地位。

目前，氣體傳感器監(jiān)測氣體的方法和手段有非常多種，包括：電化學(xué)法、氣相色譜法、導(dǎo)熱法、紅外吸收法、接觸燃燒法、半導(dǎo)體氣體傳感器檢測法、光纖法等。不過從材料的應(yīng)用范圍、普及程度以及實(shí)用性來看，半導(dǎo)體氣體傳感器的應(yīng)用無疑是占據(jù)了氣體傳感器的半壁江山。

一、什么是半導(dǎo)體氣體傳感器？

想要具體了解什么是半導(dǎo)體傳感器，首先我們應(yīng)當(dāng)知道什么是半導(dǎo)體。

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

二、半導(dǎo)體傳感器的分類

半導(dǎo)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(yīng)與器件特性來檢測氣體，如肖特基二極管的伏安特性和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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檢測氣體濃度。此類傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、成本低廉、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，市面上常見的半導(dǎo)體氣體傳感器大都為電阻式氣體傳感器。

三、半導(dǎo)體氣體傳感器的工作原理

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

四、什么材料適合用于半導(dǎo)體氣體傳感器？

1、原料易獲得；

2、在較低溫度下對(duì)氧氣和目標(biāo)氣體有很好的吸附能力，二者有很好的化學(xué)反應(yīng)能力，并在該溫度下對(duì)反應(yīng)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(wěn)定性、并有適合的微缺陷電導(dǎo)率等。

符合這種條件的常見材料二氧化錫、氧化鎢、氧化銦、偏錫酸鋅等。

五、半導(dǎo)體氣體傳感器的未來前景

在眾多的氣體傳感器門類中，半導(dǎo)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、傳感過程簡單，即氣體信息只需一個(gè)步驟就可以變?yōu)殡娦盘?hào)；其次便是傳感載體穩(wěn)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，也為未來的大規(guī)模布設(shè)提供了經(jīng)濟(jì)上的可行性。