一文了解半导体气体传感器的工作原理及应用

2021-07-05

在工业化高度发展的今天,各类新型智能的传感器层出不穷,在这些传感器产品中,气体传感器的应用极为广泛,在我们熟知的很多行业中,都有气体传感器的使用场景。在环境气体监测行业,气体传感以便捷、精准、稳定的特点,在环境监测中占有重要地位。

然而,气体传感器根据监测气体的方法和手段的不同,也有非常多的种类,如:电化学气体传感器、红外气体传感器、催化燃烧式气体传感器、半导体气体传感器等。不过从材料的应用范围、普及程度以及实用性来看,气体传感器中的半导体气体传感器的应用更为广泛,半导体作为常见的气体传感器之一,目前被用于家庭和工厂可燃气体检测。在民用领域,半导体金属氧化物气体传感器的优势非常明显,在综合性能上也非常符合家庭报警器的要求。

一、什么是半导体气体传感器?

想要具体了解什么是半导体传感器,首先我们应当知道什么是半导体。

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。

二、半导体气体传感器的分类

半导体传感器包括非电阻式气体传感器和电阻式气体传感器。

1、非电阻式气体传感器主要是利用一些物理效应与器件特性来检测气体,如肖特基二极管的伏安特性和金属氧化物半导体场效应管阀值电压变化等特性。

2、电阻式气体传感器是利用其阻值变化来检测气体浓度。此类传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点,市面上常见的半导体气体传感器大都为电阻式气体传感器。

三、半导体气体传感器的工作原理

在真空中(没有外界干扰时),半导体材料内部有很多电子可以导电,在半导体在接触空气后会吸附氧,氧会捕获并固定那些半导体内的电子,我们以监测甲烷为例:在此状态下如果半导体接触到象甲烷这样的气体,甲烷就会把氧气反应掉,那些被氧捕获得电子就重获自由,回到半导体内,改善其导电性能。这个过程是电子在氧和半导体之间交换的过程,电子被氧固定时,半导体电阻变大;甲烷反应掉氧,电子回到半导体中时,半导体电阻就小。电阻变化就和甲烷浓度相关联,通过测得半导体电阻变化就可以知道对应的甲烷的多少。

四、什么材料适合用于半导体气体传感器?

1、原料易获得;

2、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力,二者有很好的化学反应能力,并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力;

3、与其他辅助材料成型后有较好的相容性、化学稳定性、并有适合的微缺陷电导率等。

符合这种条件的常见材料二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。

五、半导体气体传感器的未来前景

在众多的气体传感器门类中,半导体传感器是非常具有发展前景的气体传感器。原因就在于其工作原理、传感过程极其简单,即气体信息只需一个步骤就可以变为电信号;其次便是传感载体稳定;再者造价较为便宜。以上特点不仅为其进化提供了清楚的路径和空间,也为未来的大规模布设提供了经济上的可行性。

总之,半导体气体传感器的敏感元件是半导体气敏元件,作为生活中最为常见的气体传感器,在很多场景中,我们都能看到它的应用。如今,气体传感器正朝向着高灵敏度,高精度的方向发展,而这也是气体半导体传感器的特征所在,相信在未来,气体半导体传感器也将能够在传感器市场引起新的一轮主流发展趋势。

 

Tags: 气体传感器