半導體氣體傳感器在可燃氣體檢測中的應用

2023-11-13 15:33:59

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一款滿足新國標要求的可燃氣體探測器，離不開核心元器件——氣體傳感器。

構成氣體傳感器的材料可分為半導體和非半導體兩大類，其中半導體氣體傳感器是實際應用得Z廣泛的一類傳感器。自1962年金屬氧化物半導體氣體傳感器問世以來，就以測量精準、維護簡單、應用靈活、可靠性高等優點，深受傳感器市場歡迎。

Part.1

關于半導體型氣體傳感器

金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動（見圖1）。

半導體可燃氣體傳感器原理

在敏感材料內部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒的結合部位（晶界）才能形成電流。由氧吸附產生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低(見圖2），導致傳感器的阻值減小。

隨著厚膜印刷、MEMS等工藝的推廣，半導體氣體傳感器完成了微型化、智能化的迭代升級。工程師們逐漸研發出了在微型陶瓷基片的兩面分別制作加熱器和氣敏層的平面半導體氣體傳感器，縮小了體積、降低了功耗；后來又衍生出利用MEMS工藝的Si基微熱板和半導體材料組成的MEMS氣體傳感器，結構更加堅固、功耗更低，也更便于集成。