第七章新型气体传感器及阵列

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1、第七章第七章 新型气体传感器及阵列新型气体传感器及阵列7.1 7.1 概概 述述7.2 7.2 气体传感器敏感机理气体传感器敏感机理7.3 7.3 新型气体传感器及阵列新型气体传感器及阵列目目 录录领域前沿领域前沿科研思路科研思路基础基础加深概念加深概念7.1 概 述7.1.17.1.1气体传感器基本概念气体传感器基本概念7.1.2 7.1.2 气体传感器的分类气体传感器的分类7.1.1 气体传感器基本概念气体传感器：是指能将被测气体浓度转换为是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 体积小体积小灵敏度高灵敏度高携带方便携带方便智能程

2、度高智能程度高可远距离探测可远距离探测 7.1.1 气体传感器基本概念气体传感器必须满足下列条件：气体传感器必须满足下列条件：u 能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其它基准设定浓度；并能及时给出报警、显示和控制信号；ppm：parts per million1ppm=1mg/kg=1mg/L =110-6 1ppb= 110-9 7.1.1 气体传感器基本概念气体传感器必须满足下列条件：气体传感器必须满足下列条件：u 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感； u 性能长期稳定性好；u 响应迅速、重复性好；u 维护方便、价格便宜等。交叉敏问题交叉敏问题电子鼻电子鼻标准的标准的TO-5

3、TO-5金属封装金属封装封装封装氧气、水汽、灰尘等影响氧气、水汽、灰尘等影响7.1.2 气体传感器的分类气敏元件气敏元件干干式式湿湿式式半半导导体体式式半导体陶瓷型半导体陶瓷型厚膜型厚膜型薄膜和微粒子型薄膜和微粒子型固体电介质式固体电介质式（ZrO2）红外线吸收式红外线吸收式导热率变化式（热线，热敏电阻）导热率变化式（热线，热敏电阻）以固定电位电解式为代表以固定电位电解式为代表（极谱式，原电池式）（极谱式，原电池式）接触燃烧式接触燃烧式基于强催化剂使气体在传感器表面燃基于强催化剂使气体在传感器表面燃烧产生热量，使传感器温度上升，导烧产生热量，使传感器温度上升，导致贵金属电极电导随之变化。致贵金

4、属电极电导随之变化。 当红外光通过待测气体时，当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红气体分子对特定波长的红外光有吸收，通过光强的外光有吸收，通过光强的变化测试气体浓度变化测试气体浓度一种以离子导体为一种以离子导体为电解质的化学电池电解质的化学电池 7.2 气体传感器敏感机理从材料设计的角度揭示决定传感器性能的三个关键因素：从材料设计的角度揭示决定传感器性能的三个关键因素：l 识别功能识别功能待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附 比表面积、氧化活性、表面酸碱度等比表面积、氧化活性、表面酸碱度等 l 转换功能转换功能化学量向电学量（电阻）的转换能力化学量

5、向电学量（电阻）的转换能力敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等 l敏感体的利用效率敏感体的利用效率 在待测气氛中敏感体电阻在待测气氛中敏感体电阻 变化部分占整个敏感体的比率变化部分占整个敏感体的比率 敏感材料的多孔性、催化活性及待测气体的敏感材料的多孔性、催化活性及待测气体的扩散系数等扩散系数等 国际著名传感器专家国际著名传感器专家N. Yamazoe建立的氧化物半导体气体传感器的理论框架建立的氧化物半导体气体传感器的理论框架 v半导体气体传感器四种模式的气敏机理半导体气体传感器四种模式的气敏机理1.整体原子价控制理论整体原子价控制理论2.能级生成理论能级生成理论3.表面电

6、荷层理论表面电荷层理论4.接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理 若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，则被吸气体分子就会从元件表面则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子夺取电子而以而以阴离子形式阴离子形式吸附。吸附。具有这种性质的气体称为具有这种性质的气体称为氧化性气体氧化性气体，例如，例如，O O2 2，NOxNOx等等。 若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸气体将把吸气体将把电子给予元件电子给予元件而以而以阳离子形式阳离子形式吸附。具有

7、阳离子吸吸附。具有阳离子吸附性质的气体称为附性质的气体称为还原性气体还原性气体，如，如H H2 2，CO, HCCO, HC和乙醇等。和乙醇等。7.2 气体传感器敏感机理1. 整体原子价控制理论整体原子价控制理论v本理论适用于钙钛矿型原子本理论适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物；价控制复合氧化物；v用用ABOABO3 3一般式来表示钛矿型一般式来表示钛矿型氧化物，其导电过程是通过氧化物，其导电过程是通过B B元素与氧组成的三维网孔状元素与氧组成的三维网孔状结构进行的；结构进行的；v气体的离解作用可以把网状气体的离解作用可以把网状构造的某一部分切断，一旦构造的某一部分切断，一旦发生这种现象，复合

8、氧化物发生这种现象，复合氧化物的电阻值将显著增加。的电阻值将显著增加。BaTiO3的晶体结构示意图的晶体结构示意图 7.2 气体传感器敏感机理1. 整体原子价控制理论整体原子价控制理论7.2 气体传感器敏感机理铁酸盐复合氧化物（铁酸盐复合氧化物（P-MFe2O4）的气敏机理模型）的气敏机理模型原始态原始态P P型型-MFe-MFe2 2O O4 4吸附氧吸附氧吸附氧俘获电子，表层空穴吸附氧俘获电子，表层空穴浓度进一步增加，表面层电浓度进一步增加，表面层电阻下降阻下降Fe3+Fe2+还原性气体还原性气体表面表面FeFe3+3+被还原成被还原成FeFe2+2+，由于还，由于还原性气体的离解作用，使

9、晶体原性气体的离解作用，使晶体结构中的电价配置和缺陷发生结构中的电价配置和缺陷发生变化，导电的三维网络某一部变化，导电的三维网络某一部分被切断，电阻升高分被切断，电阻升高2. 2. 能级生成理论能级生成理论7.2 气体传感器敏感机理N N型半导体型半导体（SnO2、ZnO等等）还原性气体还原性气体氧化性气体氧化性气体给电子给电子束缚空穴束缚空穴R给空穴给空穴减少导带电子数减少导带电子数R3. 3. 表面电荷层理论表面电荷层理论7.2 气体传感器敏感机理 在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附不同种类的气体之后，将

10、形成不同形式的不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级空间电荷层表面能级空间电荷层。 从化学键模型角度，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价从化学键模型角度，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价键，称为悬挂键。这些悬挂键可键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电子提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施，相当于半导体中的施主杂质和受主杂质。主杂质和受主杂质。 EF表面能级表面能级氧化性气体：氧化性气体：阴离子阴离子吸附吸附气体分子气体分子吸取电子吸取电子EF表面能级表面能级还原性气体：还原性气体：气体分子气体分子提供电子提供电子电荷层电导率电荷层电导率阳离子阳离子吸附吸附

11、电荷层电导率电荷层电导率4. 4. 接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理v根据多晶半导体能带模型而提出根据多晶半导体能带模型而提出多晶硅薄膜多晶硅薄膜SEMSEM图图价带价带禁带禁带导带导带半导体半导体晶粒晶粒半导体半导体晶粒晶粒晶粒界面：界面势垒晶粒界面：界面势垒N型半导体型半导体4. 4. 接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理价带价带禁带禁带导带导带半导体半导体晶粒晶粒半导体半导体晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面氧化性气体氧化性气体吸取电子吸取电子半导体半导体晶粒晶粒半导体半导体晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面电子接受型电子接受型气体：气体：O2导带导带禁带禁带

12、价带价带N型半导体型半导体+势垒势垒4. 4. 接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论7.2 气体传感器敏感机理价带价带禁带禁带导带导带半导体半导体晶粒晶粒半导体半导体晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面还原性气体还原性气体提供电子提供电子半导体半导体晶粒晶粒半导体半导体晶粒晶粒晶粒界面晶粒界面电子供给型电子供给型气体：气体：NH3导带导带禁带禁带价带价带N型半导体型半导体+势垒势垒7.3.1 7.3.1 有机有机/ /无机纳米复合薄膜气体传感器的无机纳米复合薄膜气体传感器的制备及特性研究制备及特性研究7.3.2 7.3.2 有机薄膜晶体管气体传感器的制备及有机薄膜晶体管气体传感器的制备及特性研究特性研究7.3.3 7.3.3 质量敏感型有毒有害气体传感器及阵质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究列研究7.3 新型气体传感器及阵列思考题1.1.气体传感器的概念及其需要满足的条件。气体传感器的概念及其需要满足的条件。2.2.氧化性气体；还原性气体氧化性气体；还原性气体3.3.简述半导体气体传感器的四种敏感机理模型。简述半导体气体传感器的四种敏感机理模型。4.4.气体传感器器件结构有哪些？简述其检测原理。气体传感器器件结构有哪些？简述其检测原理。