第9章 半導體1氣敏

1、第第9 9章章 半導體傳感器半導體傳感器9.1 9.1 氣敏傳感器氣敏傳感器9.2 9.2 濕敏傳感器濕敏傳感器9.3 9.3 色敏傳感器色敏傳感器9.4 9.4 半導體傳感器的應用半導體傳感器的應用 9.1 氣氣 敏敏 傳傳 感感 器器 9.1.1 概述概述 檢測氣體類別、濃度和成分的傳感檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。器。 由于氣體種類繁多由于氣體種類繁多, 性質各不相同，性質各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，體， 因此，能實現(xiàn)氣因此，能實現(xiàn)氣電轉換的傳感電轉換的傳感器種類很多。器種類很多。 按照構成氣敏傳感器的材料可分為按照構成氣敏傳感器

2、的材料可分為半導體半導體和和非半導體非半導體兩大類。兩大類。 使用最多的是半導體氣敏傳感器。使用最多的是半導體氣敏傳感器。 半導體氣敏傳感器的工作原理：半導體氣敏傳感器的工作原理： 待測氣體與半導體表面接觸時，半待測氣體與半導體表面接觸時，半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化。導體的電導率等物理性質發(fā)生變化。 按照半導體與氣體相互作用時產生按照半導體與氣體相互作用時產生的變化只限于半導體表面或深入到半導的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部，可分為：體內部，可分為： 表面控制型表面控制型 體控制型。體控制型。 表面控制型半導體表面吸附的氣體表面控制型半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，與

3、半導體間發(fā)生電子接受， 結果使半導體的電導率等物理性質結果使半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化，發(fā)生變化， 但內部化學組成不變；但內部化學組成不變； 體控制型半導體與氣體的反應，使體控制型半導體與氣體的反應，使半導體內部組成發(fā)生變化，而使電導率半導體內部組成發(fā)生變化，而使電導率變化。變化。 按照半導體變化的物理特性，又可按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型。分為電阻型和非電阻型。 電阻型半導體氣敏元件是利用敏感電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度。體的成分或濃度。 非電阻型半導體氣敏元件是利用其非電阻型半導

4、體氣敏元件是利用其它參數(shù)，它參數(shù)， 如二極管伏安特性和場效應晶體管如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。 表表9-1 半導體氣敏元件的分類半導體氣敏元件的分類 氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，體中使用的， 由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，工作條件較惡劣， 而且氣體對傳感元件的材料會產生而且氣體對傳感元件的材料會產生化學反應物，附著在傳感元件表面，往化學反應物，附著在傳感元件表面，往往會使其

5、性能變差。往會使其性能變差。 因此，對氣敏元件有下列要求：因此，對氣敏元件有下列要求： 能長期穩(wěn)定工作，重復性好，響應能長期穩(wěn)定工作，重復性好，響應速度快，共存物質產生的影響小等。速度快，共存物質產生的影響小等。 氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、易氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測、預報和自爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制。動控制。 9.1.2 半導體氣敏傳感器的機理半導體氣敏傳感器的機理 半導體氣敏傳感器是利用氣體在半半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元導體表面的氧化和還原

6、反應導致敏感元件阻值變化而制成的。件阻值變化而制成的。 當半導體器件被當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，在氣體接觸半導體表面而被吸附時， 被吸附的分子首先在表面自由擴散，被吸附的分子首先在表面自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉， 另一部分殘留分子產生熱分解而固另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。定在吸附處（化學吸附）。 當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力親和力(氣體的吸附和滲透特性氣體的吸附和滲透特性)時，吸時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子附分子將從器件

7、奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層。吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層。 例如氧氣等具有負離子吸附傾向的例如氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。體。 如果半導體的功函數(shù)大于吸附分子如果半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。子，而形成正離子吸附。 具有正離子吸附傾向的氣體有具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣體或電子供給型氣體。原型氣體或電子供給型氣體。 當氧化型氣體吸附到當氧化型氣體

8、吸附到N型半導體上，型半導體上，還原型氣體吸附到還原型氣體吸附到P型半導體上時，將型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。使半導體載流子減少，而使電阻值增大。 當還原型氣體吸附到當還原型氣體吸附到N型半導體上，型半導體上，氧化型氣體吸附到氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。載流子增多，使半導體電阻值下降。 圖圖9-1表示了氣體接觸表示了氣體接觸N型半導體型半導體時所產生的器件阻值變化情況。時所產生的器件阻值變化情況。 N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖 100550加 熱 開 關大 氣 中2 min 4 min吸 氣 時還 原 型氧 化

9、 型穩(wěn) 定 狀態(tài)器 件 加 熱響 應 時 間 約 1 min以 內器 件 電 阻 / k 由于空氣中的含氧量大體上是恒定由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。阻值也相對固定。 若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。變化。 根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。得知吸附氣體的種類和濃度。 半導體氣敏時間半導體氣敏時間(響應時間響應時間)一般不一般不超過超過1min。 N型材料有型材料有SnO2、ZnO、TiO等，等， P型材料有型材料有MoO2、

10、CrO3等。等。 9.1.3 半導體氣敏傳感器類型及結構半導體氣敏傳感器類型及結構 1. 電阻型半導體氣敏傳感器電阻型半導體氣敏傳感器 組成：敏感元件、加熱器、外殼組成：敏感元件、加熱器、外殼分類：燒結型、薄膜型、厚膜型分類：燒結型、薄膜型、厚膜型燒結型氣敏器件 燒結型氣敏器件以燒結型氣敏器件以SnO2半導體材料半導體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材材料中，料中， 用加熱、加壓、溫度為用加熱、加壓、溫度為700900的的制陶工藝燒結成形。制陶工藝燒結成形。因此，被稱為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。因此，被稱為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。 半導瓷內的晶粒直徑為半導瓷內

11、的晶粒直徑為1m左右，左右，晶粒的大小對電阻有一定影響，但對氣晶粒的大小對電阻有一定影響，但對氣體檢測靈敏度則無很大的影響。體檢測靈敏度則無很大的影響。燒結型器件制作方法簡單，器件壽命長；燒結型器件制作方法簡單，器件壽命長； 但由于燒結不充分，器件機械強度但由于燒結不充分，器件機械強度不高，電極材料較貴重，電性能一致性不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應用受到一定限制。較差，因此應用受到一定限制。 薄膜型器件 薄膜型器件采用蒸發(fā)或濺射工藝，薄膜型器件采用蒸發(fā)或濺射工藝， 在石英基片上形成氧化物半導體薄在石英基片上形成氧化物半導體薄膜（其厚度小于膜（其厚度小于100nm），制作方法簡）

12、，制作方法簡單。單。 SnO2半導體薄膜的氣敏特性最好，半導體薄膜的氣敏特性最好， 但這種半導體薄膜為物理性附著，但這種半導體薄膜為物理性附著，因此器件間性能差異較大。因此器件間性能差異較大。 330.5(單 位 : mm)7(c)氧 化 鋁 基 片Pt電 極氧 化 物 半 導 體器 件 加 熱 用 的 加 熱 器 (印 制厚 膜 電 阻 ) 厚膜型器件 厚膜型器件將氧化物半導體材料與厚膜型器件將氧化物半導體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠， 再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經燒結制成的。基片上，經燒結制成的。 元件機械強度高

13、，離散度小，適合元件機械強度高，離散度小，適合大批量生產。大批量生產。 這些器件全部附有加熱器這些器件全部附有加熱器。 加熱器的作用加熱器的作用: 將附著在敏感元件表面上的塵埃、將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應速度。高器件的靈敏度和響應速度。加熱器的溫度一般控制在加熱器的溫度一般控制在200400左右。左右。 加熱方式有直熱式和旁熱式兩種，加熱方式有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。 直熱式氣敏器件的結構及符號如圖直熱式氣敏器件的結構及符號如圖9-3所示。

14、所示。直熱式氣敏器件的結構及符號 (a) 結構； (b) 符號1234SnO2燒結體IrPd合金絲(加熱器兼電極)13242 41 3(a)(b) 直熱式器件是將加熱絲、直熱式器件是將加熱絲、 測量絲直測量絲直接埋入接埋入SnO2或或ZnO等粉末中燒結而成的，等粉末中燒結而成的， 工作時加熱絲通電，測量絲用于測工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。量器件阻值。 這類器件制造工藝簡單、成本低、這類器件制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用，功耗小，可以在高電壓回路下使用， 但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互測量回路

15、和加熱回路間沒有隔離而相互影響。影響。 國產國產QN型和日本費加羅型和日本費加羅TGS109型氣敏傳感器均屬此類結構。型氣敏傳感器均屬此類結構。 旁熱式氣敏器件的結構及符號如圖旁熱式氣敏器件的結構及符號如圖9-4所示。所示。 旁熱式氣敏器件的結構及符號 (a) 旁熱式結構； (b) 符號 將加熱絲放置在一個陶瓷管內，管將加熱絲放置在一個陶瓷管內，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上涂上SnO2等材料。等材料。 旁熱式結構的氣敏傳感器克服了直旁熱式結構的氣敏傳感器克服了直熱式結構的缺點，使測量極和加熱極分熱式結構的缺點，使測量極和加熱極分離，離， 旁熱式氣敏

16、器件的結構及符號 (a) 旁熱式結構； (b) 符號 而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響，免了測量回路和加熱回路的相互影響， 器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響，器件加熱溫度的影響， 所以這類結構器件的穩(wěn)定性、可靠所以這類結構器件的穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式器件好。性都較直熱式器件好。 國產國產QM-N5型和日本費加羅型和日本費加羅TGS812、813型等氣敏傳感器都采用這種型等氣敏傳感器都采用這種結構。結構。 2. 非電阻型半導體氣敏傳感器非電阻型半導體氣敏傳感器 非電阻型氣敏器件也是半導體氣

17、敏非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。傳感器之一。 它是利用它是利用MOS二極管的電容二極管的電容電壓電壓特性的變化以及特性的變化以及MOS場效應晶體管場效應晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等而制成的閾值電壓的變化等而制成的氣敏元件。的氣敏元件。 由于器件的制造工藝成熟，便于器由于器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。 利用特定材料還可以使器件對某些利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。氣體特別敏感。 (1) MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件 MOS二極管氣敏元件制作過程二極管氣敏元件制作過程: 在在P型半導體硅片

18、上，利用熱氧化型半導體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為工藝生成一層厚度為50100nm 的二氧的二氧化硅化硅(SiO2)層，層， 然后在其上面蒸發(fā)一層鈀然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金的金屬薄膜，作為柵電極，如圖屬薄膜，作為柵電極，如圖9-5(a)所示。所示。 MOS二極管結構和等效電路 (a) 結構； (b) 等效電路； (c) C-U特性 M(Pd)SiO2PSiCaCsCOVab(a)(b)(c) 由于由于SiO2層電容層電容Ca固定不變，而固定不變，而Si和和SiO2界面電容界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，是外加電壓的函數(shù)，因此由等效電路可知，總電容因此由等效電路可知，總電容C也是

19、柵也是柵偏壓的函數(shù)。偏壓的函數(shù)。 由于鈀對氫氣由于鈀對氫氣(H2)特別敏感，當鈀吸特別敏感，當鈀吸附了附了H2以后，會使鈀的功函數(shù)降低，導以后，會使鈀的功函數(shù)降低，導致致MOS管的管的C-U特性向負偏壓方向平移。特性向負偏壓方向平移。 根據(jù)這一特性就可用于測定根據(jù)這一特性就可用于測定H2的濃的濃度度 (2) MOS場效應晶體管氣敏器件場效應晶體管氣敏器件 鈀 鈀 M O S 場 效 應 晶 體 管場 效 應 晶 體 管 ( P d -MOSFET)的結構，參見圖的結構，參見圖9-6。 鈀MOS場效應晶體管的結構PSiNNAlSiO2DSPd柵 由于由于Pd對對H2很強的吸附性，當很強的吸附性，當H2吸吸附在附在Pd柵極上時，會引起柵極上時，會引起Pd的功函數(shù)降的功函數(shù)降低。低。 由由MOSFET工作原理可知，當柵極工作原理可知，當柵極(G)、源極、源極(S)之間加正向偏壓之間加正向偏壓UGS，且，且UGSUT(閾值電壓閾值電壓)時，則柵極氧化層下時，則柵極氧化層下面的硅從面的硅從P型變?yōu)樾妥優(yōu)镹型。型。 鈀MOS場效應晶體管的結構PSiNNAlSiO2DSPd柵 這個這個N型區(qū)就將源極和漏極連接起型區(qū)就將源極和