基本介紹
- 中文名：半導體氣敏材料
- 外文名：Semiconductor gas sensitive material
- 目的：檢測氣體成分、濃度的
- 套用：氣體感測器
- 場所：工廠、車間和礦山
- 核心：氣體敏感材料決定著感測器的檢測
半導體氣敏材料的檢測原理,半導體氣敏材料分類,半導體氣敏材料的特點,電阻型半導體氣敏材料的導電機理,
半導體氣敏材料的檢測原理
氣體敏感材料是對環境氣氛中的某些氧化性氣體、還原性氣體或有機溶劑蒸汽十分敏感，這些氣體在材料表面的吸附和脫附會引起材料電學性質(例如電阻率)的明顯改變，從而達到報警的目的。由於對氣體具有敏感性，所以這類半導體材料得名為半導體氣敏材料，半導體氣敏材料可廣泛套用於對可燃性氣體和有毒性氣體的檢測、檢漏、報警和監控等領域，由於這類材料大都是半導體陶瓷，所以我們又常常稱其為氣敏陶瓷。
半導體氣敏材料分類
氣敏半導體材料可分為N型和P型兩大類。被檢測氣體在氣敏半導體材料表面反應供給半導體電子，從而改變半導體的電阻。遇到氣體時電阻下降的材料為N型氣敏半導體，反之則為P型氣敏半導體。二氧化錫氣敏材料是較早發現的一類氣敏半導體材料，套用最廣泛；氧化鋅氣敏材料是套用最早的一種半導體氣敏材料，其特點是物理、化學性質比較穩定。通常情況下，氧化鋅的工作溫度比二氧化錫高，但其靈敏度低於二氧化錫。α-氧化鐵和γ氧化鐵氣敏材料主要用於檢測可燃性氣體，套用範圍逐漸擴大。上述3種材料都是N型氣敏半導體。稀土複合氧化物是一種新型氣敏半導體材料，當摻人某些微量元素後，其靈敏度可達到較高水平。
半導體氣敏材料的特點
半導體氣敏材料分為表面型的、塊體型的、燃燒型的以及電解質與電氣化學型的幾種。即半導體表面吸附的氣體和半導體之間發生電子授受，引起電阻率、表面電位和整流特性發生變化的表面型的半導體氣敏材料；吸附氣體與半導體之間發生反應且引起內部晶格缺陷濃度發生變化的塊體型的半導體氣敏材料；表面與可燃性氣體一接觸就在其表面引起燃燒反應，使其溫度上升，電阻率變化的燃燒型的半導體氣敏材料，以及固體電解質式和電氣化學式的半導體氣敏材料。這些材料都應具備：穩定性好，對可燃性氣體的危險度和有害氣體的不容許濃度應能迅速發出指示，對特定氣體的選擇性好，反應速度快、再現性好、長壽命、可靠性與精度要高、消耗功率少、小型、價廉，可量產等。
電阻型半導體氣敏材料的導電機理
半導體氣敏感測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件阻值變化而製成的。當半導體器件被加熱到穩定狀態，在氣體因接觸半導體表面而被吸附時，其分子首先在物體表面自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發掉，另一部分殘留分 子因產生熱分解而化學吸附在吸附處。當半導體的功函式小於吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面出現電荷層。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體。如果半導體的功函式大於吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H、CO、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。
當氧化型氣體吸附到N型半導體或還原型氣體吸附到P型半導體上時，將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N型半導體上或氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。由於空氣中的含氧量大體上是恆定的，因此氧化的吸附量也是恆定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發生變化，其阻值也會變化。根據這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導體氣敏時間(回響時間)一般不超過1min。
