半导体气敏元件的应用特性
灵敏度特性
气敏元件的灵敏度特性,是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能,其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即器件电阻与检测气体浓度大都具有如
部分习题参考答案 第10章半导体式化学传感器 10.1 什么是半导体气体传感器？它有哪些基本类型？气体传感器的发展动态如何? 10.2 半导体气体传感器主要有哪几种结构？各种结构气体传感器的特点如何？ 10.3 如何提高半导体气体传感器的选择性？根据文献举例说明，目前实用气体 检测方法常用哪些气敏传感器？它有什么特点？ 10.4 半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热 丝可以起到什么作用？ 10.5 查找文献说明近年有哪些新性的气体传感器。 10.6 什么是绝对湿度？什么是相对湿度？表示空气湿度的物理量有哪些？如何表示？ 10.7 湿度传感器的种类有哪些？主要参数有哪些？简述氯化锂湿度传感器的感湿原理。 10.8 简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。半导体陶瓷湿敏传感器有那些特点？ 10.9 离子选择电极是如何分类的？离子选择电极分析法有什么特点？试述离子 选择电极的结构与测量原理。 答案： 10.1答：（略）
10.2答： 1）按构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类；按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。 2）早期电化学和光学方法，其检测速度慢、设备复杂、使用不方便；新型金属氧化物半导体传感器由于灵敏度高、体积小、使用方便，已广泛用于检测、分析领域。电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件，传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。非电阻型气敏传感器有不同类型，如利用MOS二极管的电容-电压特性变化，利用MOS场效应管的阈值电压的变化，利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。 10.3答：（略） 10.4答： 1）因为在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器，加热时间2～3分钟，最佳工作温度为200℃～400℃。 2）加热方式分为直热式和旁热式。电阻型气敏传感器加热的目的有两个方面的因素，一是为了加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度，另外使附着在传感器元件壳面上的油雾、尘埃烧掉。 10.5答：（略） 10.6答： 1）绝对湿度指单位体积空气内所含水汽的质量，一般用每立方米空气中所含水汽的克数表示
石墨烯气敏性能的研究进展 张焕林１，李芳芳２，刘柯钊１ （１ 表面物理与化学重点实验室，绵阳６２１９０７；２ 中国工程物理研究院，绵阳６２１９００ ）摘要 石墨烯因具有高的电子迁移率和超大的比表面积而有望成为新一代的气敏材料，近年来有关石墨烯气体传感器的研究工作逐年增加。概述了石墨烯的结构和特性；介绍了典型石墨烯气体传感器的工作原理；综述了本征和功能化石墨烯的多种气体气敏特性在理论和实验上的研究现状。 关键词 石墨烯 本征石墨烯 改性石墨烯 气敏特性 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＧｒａｐｈｅｎｅＺＨＡＮＧ Ｈｕａｎｌｉｎ１，ＬＩ Ｆａｎｇｆａｎｇ２， ＬＩＵ Ｋｅｚｈａｏ１ （１ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９０７；２ Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｅｘｃｅｐｔｉｏｎａｌｌｙ ｈｉｇｈ ｃａｒｒｉｅｒ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｌａｒｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｏ－ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ，ｇｒａ－ｐｈｅｎｅ ｉｓ ｔｈｏｕｇｈｔ ｔｏ ｂｅ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｎｇ．Ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ａｒｔｉｃｌｅｓａｂｏｕｔ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉ－ｐｌｅ ｏｆ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｗｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔａｔｕｓ ｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｔｏ ｖａｒｉｏｕｓ ｇａｓｅｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｇａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ 张焕林：女，硕士研究生，从事碳材料的功能化研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ ｈｌ０６＠１２６．ｃｏｍ０ 引言 石墨烯是除了石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管之外碳元素的又一种同素异形体。它是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构， 是构成其他维数材料的基本结构单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆 垛成三维的石墨［１］ 。２００４年英国曼彻斯特大学的物理学教授Ｇｅｉｍ的研究组［２］ 用高度定向的热解石墨（ＨＯＰＧ） 首次获得了独立存在的高质量的石墨烯， 并对其电学性能进行了系统表征。研究发现石墨烯存在双极性电场效应，具有极大的载流子浓度、超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹性输运等特性。这些优异的性能引起了物理学、 材料学、化学等科研领域的广泛关注，掀起了继富勒烯和碳纳米管后的又一次碳材料研究热潮。石墨烯的发现者Ｇｅｉｍ教授和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ 博士也因此被授予２０１０年度诺贝尔物理学奖。 ２００７年Ｓｃｈｅｄｉｎ等［３］ 首先发现， 用石墨烯制备的传感器可以检测到单个分子在石墨烯表面的吸附和解吸附行为，这 引起了科学界的极大关注。研究者们随后研究了微机械剥离、化学剥离和化学气相沉积等方法制备的石墨烯的气敏特性，发现本征石墨烯只对ＮＯ２、ＮＨ３等少数气体有较高的灵敏度。于是理论研究者纷纷开始了本征、掺杂和缺陷石墨烯与气体吸附作用机制的研究，发现具有一定缺陷或掺杂的石墨烯对特定的气体有较强的吸附。在理论研究的指导下，最近研究者对石墨烯进行了有目的地掺杂和功能化研究以提 高石墨烯对特定气体的选择性和灵敏度。本文着重介绍本征石墨烯的气敏特性、对气体分子的吸附作用，以及功能化石墨烯对氢气的响应特性。 １ 石墨烯的结构和特性 石墨烯是由ｓｐ２ 杂化的碳原子紧密排列构成的二维六角 结构的单层石墨，每个碳原子通过σ键与相邻的３个碳原子连接，这些强Ｃ－Ｃ键的网状结构使石墨烯片层具有优异的结构刚性。每个碳原子都有１个未成键的电子， 这些电子在与原子平面垂直的方向上形成的离域π轨道上自由运动，赋予 石墨烯良好的导电性［４］。石墨烯ｓｐ２ 杂化的碳碳键的长度为０．１４２ｎｍ［５］，单原子层的理论厚度为０．３４ｎｍ［６］ 。图１为石墨 烯的能带结构和布里渊区图［７］ ，价带和导带在费米能级的６ 个顶点上相交，由此表明石墨烯是一种零带隙的物质，具有 金属性。石墨烯中电子的典型传导速率为８×１０５ ｍ·ｓ －１，接近光在真空中传播速度的１／４００ ，比一般半导体的电子传导速率大得多［８］ 。除此之外，当石墨烯被裁剪为宽度小于 １０ｎｍ的纳米条带时会产生一定的带隙， 这种半导体石墨烯在晶体管中有较大的潜在应用价值［ ９］ 。目前已证实的石墨烯的优异的物理性质包括：室温下高 的电子迁移率（１５０００ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１）［２，１０］ ；优异的热导率（约５０００Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）［１１］ ，是Ｃｕ热导率的１０倍多；超高的力学性能，破坏强度为４２Ｎ／ｍ，杨氏模量为１．０ＴＰａ［１ ２］ ；超大的比表面积，理论值为２６３０ｍ ２·ｇ－１［１３］；几乎完全透明，光透· ９３·石墨烯气敏性能的研究进展／张焕林等
SnO2材料气敏性能研究进展 1.气体传感器的定义与研究意义 气体传感器是传感器领域的一个重要分支，是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等使用的信息的装置。它主要用来检测气体的种类和浓度，对接触气体产生响应并转化成电信号从而达到对气体进行定量或半定量检测报警的目的。气体传感器现已在人类的生产生活中得到了广泛的应用，在民用方面，主要是检测天然气、煤气的泄露，二氧化碳气体含量、烟雾杂质和某些难闻的气味及火灾发生等；在工业方面，主要是检测硫化物、氮氧化物、CH4、CO、CO2及Cl2等有毒或有害的气体，检测有机溶剂和磷烷、砷烷等剧毒气体，检测电力变压器油变质而产生的氢气，检测食品的新鲜度，检测空燃比或废气中的氧气的含量以及检测驾驶员呼气中酒精含量等；在农业生产上，主要是检测温度和湿度、CO2，土壤干燥度、土壤养分和光照度。因此，气敏传感器的研究具有非常重要的意义。 2.气体传感器的分类 按基体材料的不同，气敏传感器还可分为固体电解质气体传感器、有机高分子半导体传感器，金属氧化物半导体气体传感器；按被检测的气体不同，气敏传感器可分为酒敏器件、氢敏器件、氧敏器件等。固体电解质气体传感器使用固体电解质做气敏材料，主要是通过测量气敏材料通过气体时形成的电动势而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用。高分子气敏传感器通过测量气敏材料吸收气体后的电阻、电动势、声波在材料表面传播速度或频率以及重量的变化来测量气体浓度。高分子气体传感器具有许多的优点，如对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。金属氧化物半导体气体传感器是一类研究时间较长、应用前景较好的传感器，它主要根据材料表面接触气体后电阻发生变化的原理来检测气体。因为金属氧化物半导体中多数载流子的不同而分为P型和N型。N 型半导体材料中，主要是晶格内部存在氧离子的缺位或阳离子的填隙，此类材料主要包括SnO、ZnO、In2O3、a-Fe2O3、WO3、ZnFe2O4、CdO和TiO2等。在P
实验？？气敏材料性能检测 一、实验目的 1.了解气敏材料性能的测试方法 2.了解气敏材料测试仪的基本操作方法 二、概述 气体传感器属于化学传感器，它是利用传感器与被测气体进行化学反应，并把反应结果转换成电信号再加以检测。气体传感器种类繁多，分类方式也不少。可以按照使用的材料来分．如半导体气体传感器，固体解质气体传感器等。气体传感器中最核心、最重要的部件就是传感元件中的气体敏感材料，气体敏感材料对特种气体的灵敏度和选择性以及稳定性等等性能的好坏是这种气体传感器优劣的标志，所以气敏材料的研究是科技工作者的研究重点。 一种良好的气体传感器需要在以下几个方面体现其优越性，这几种主要参数特性如下： (1)灵敏度：气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标,它是气敏传感器的一个重要参数。灵敏度表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系，一般采用电阻比（或电压比）来表示灵敏度S：S=Ra / Rg = Vg / Va (对n型半导体) S=Rg / Ra = Va / Vg (对p型半导体) (其中Ra表示电阻型气敏元件在洁净空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值, Rg表示在被测气体中的电阻值称为实测电阻值) (2)响应时间与恢复时间：气敏元件的响应时间表示在工作温度下、气敏元件对被测气体的响应速度，一般指气敏元件与一定浓度被测气体开始接触时，到气敏元件电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%所需的时间。一般用符号t res表示。而恢复时间表示在工作温度下，被测气体从该元件上解吸的速度。一般从气敏元件脱离被测气体开始计时，直到其电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%为止，所需的时间称为恢复时间。通常用符号t rec表示。 (3)选择性：在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力称为选择性。对某种气体的选择性好就表示气敏元件对它有较高的灵敏度。选择性是气敏元件的重要参数。
2.3 气敏、湿敏电阻传感器 2.3.1气敏电阻 在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测 和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情 况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将 检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。 1.气敏电阻的工作原理及其特性 气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变 化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 以SnO2气敏元件为例，它是由0.1～10μm的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导 体而工作的。在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子 的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导 率增加。而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位 状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。 气敏电阻的温度特性如图2.26所示，图中纵坐标为 灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值 号电压。由曲线可以看出，SnO2在室温下虽能吸附气体， 但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较 大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。此外，在气 敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一 些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对 图2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关系气体种类的选择性。 2.常用的气敏电阻 气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网 防爆，因此安全可靠，其应用面较广。 （1）氧化锌系气敏电阻 ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获得 不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。ZnO气敏电阻的结构如图2.27所示。这种气敏 元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而 制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必 须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过对颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2 纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结 型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO 气体。
半導體的基本特性 自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。 電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。 在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。 近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。
1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體 2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加----------這就是半導體. #半導體的特性: 1. 溫度上升電阻下降的特性 2. 整流效應 3 光伏特效應 4. 光電導效應
MC115 催化燃烧式气敏元件 MC115型气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。 特点 桥路输出电压呈线性 响应速度快 具有良好的重复性、选择性 元件工作稳定、可靠 抗H 2 S 中毒 应用 工业现场的天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。 可燃性气体泄漏报警器 可燃性气体探测器 气体浓度计 元件外形结构 基本测试电路 技术指标 电桥输出 测试电压： 3.0V
灵敏度特性及响应恢复特性 长期稳定性 在空气中每年漂移小于1个mV ，在1%CH 4中每年漂移小于2个mV 。短期储存（两周内）30分钟即可稳定，如长期储存（一年），则需老化5小时才可稳定。 注意事项 △元件的灵敏度要定期用标准气样校准。 △应尽量避免接触浓度为15%以上的可燃性气体。当偶然接触到高浓度的可燃性气体时, 应重新校准零点和灵敏度。 △在调试过程中, 应严格控制加热电压或电流, 不得超过4.8V 或220mA 以免烧毁元件。 △长期停止使用要放置在干燥、无腐蚀性气体的环境中。 △元件谨防振动、跌落及机械损伤。 使用元件前请详细参看本说明。 元件测试步骤 1、试验装置： a 、试验箱材料为金属或玻璃，不吸附气体，箱体积为每对元件大于1升。 b 、推荐红外气体分析仪测量气体浓度。 c 、箱内气体应搅拌，但不可直接对着元件。气流速度低于0.5m/s 。 d 、室外新鲜空气。 e 、直流稳压电源。毫伏表阻抗大于100K Ω。 f 、每次试验前，用排风扇换气，每分换气量大于10倍箱体积。 g 、元件安装在试验箱内，在水平方向，姿态相同。改变姿态将产生不同的热对流。 2、气体浓度调节： 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0 气氛中 长期稳定性 时间（月） 48 40 32 24 16 8 0 -8
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂
质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。 图（a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图所示。 二．硅的基本性质 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。 性质符号单位硅（Si） 原子序数Z 14 原子量M 原子密度个/cm3 ×1022 晶体结构金刚石型 晶格常数 a ? 熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3 介电常数ε0 个/ cm3×1010本征载流子浓度n i 本征电阻率ρi Ω·cm ×105
QM-N5型气敏元件 QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N 型半导体气敏元 件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 特点： 1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等） 2、 灵敏度高 3、 响应速度快 4、 输出信号大 5、 寿命长，工作稳定可靠 2当元件接触还原性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高. ? 特点 用于可燃性气体的检测(CH 4,C 4H 10,H 2等) 灵敏度高 响应速度快 输出信号大 寿命长,工作稳定可靠 ? 技术指标 加热电压(V H ) AC 或DC 5±0.5V 回路电压(V C ) 最大DC 24V 负载电阻(R L ) 2K Ω 清洁空气中电阻(Ra) ≤4000K Ω 灵敏度(S=Ra/R dg ) ≥4(在1000ppmC 4H 10中) 响应时间(tres) ≤10S 恢复时间(trec) ≤30S 检测范围 50-10000ppm ? 基本测试电路
?使用方法及注意事项 ?元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟 后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理 解决. ?加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用 为佳. ?元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可 达到(V dg - Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C 4 H 10 30 秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(V dg - Va)差值的80%(即恢复时间). ?符号说明 检测气体中电阻- R dg 检测气体中电压- V dg R dg 与V dg 的关系: R d g=R L (V C /V dg -1) ?负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. ?使用条件:温度-15~35℃;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa ?环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使 用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. ?避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. ?元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用. ?使用元件前请详细参看本说明.
气敏元件和传感器技术的发展现状 在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。 一、气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。 目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert 公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。 二、国内现状与差距 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是： （1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品; （2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料; （3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试; （4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。 总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要
气敏元件的制备方法1、气敏元件的结构 2、气敏元件制备流程
3、电子浆料的配制 电子浆料有多种分类方法，按用途可分为导体浆料、电阻浆料、介质浆料、磁性浆料；按主要材料与性能可分为贵金属浆料、贱金属浆料；按热处理条件可分为高温(>1000℃)、中温(1000~300℃)及低温(300~100℃)烧结浆，低温浆料又可称为导电胶。 电子浆料主要由导电相(功能相)、粘结相(玻璃相)和有机载体三部分组成。 （1）导电相(功能相) 导电相(功能相)通常以球形、片状或纤维状分散于基体中，构成导电通路。导电相决定了电子浆料的电性能，并影响着固化膜的物理和气敏性能。 电子浆料用的导电相有碳、金属、金属氧化物三大类。 （2）粘结相(玻璃相) 粘结相通常由玻璃、氧化物晶体或二者的混合物组合而成，其主要作用是在厚膜元件的烧结过程中连接、拉紧、固定导电相粒子，并使整个膜层与基体牢固地粘结在一起。粘结相的选择对成膜的机械性能和电性能有一定的影响。根据在玻璃相中的主要作用，氧化物大致可分为三类: 第一类为构成玻璃基本骨架的氧化物，如SiO2、B2O3等，它们能单独形成机械性能和电性能优良的玻璃; 第二类是调节玻璃的物理、化学性能的氧化物，如Al2O3、PbO、BaO、ZnO，它们可改善玻璃的热膨胀系数、机械强度、热和化学稳定性等; 第三类用于改进玻璃性能的氧化物，如PbO、BaO、B2O3、CaF2，它们能降低玻璃的熔化温度，同时还保证了玻璃的电性能和化学性能。 配方1（典型的硼硅酸铅玻璃粉配方） 氧化铅63%，氧化硼25%，二氧化硅12%。玻璃粉约占浆料配方的2%~3%(wt)。 配方2（改进配方） 氧化铋71%，氧化硼13%，氧化铅10%，二氧化硅5%，氧化锑1%。最高烧结温度为800度（要高于融化温度约100度，其融化温度约650度）。 配方3（无铅配方） 1#：二氧化硅50%，氧化铋20%，氧化锌20%，氧化硼10%，熔融温度814.8度 2#：二氧化硅40%，氧化铋30%，氧化锌10%，氧化硼20%，熔融温度772.5度 制备方法： 按1#所示称取各组分于刚玉坩埚中，加热至1200~1500℃熔化，熔制完成后将熔融态玻璃进行水淬处理水淬后烘干样品进行球磨，球磨3 h后，过筛制得所需的无铅玻璃粉。 使用方法： （1）该无铅导电银浆配方最佳质量分数w(银粉)72%，w(玻璃粉)3%和w(有机载体)25% （2）烧结峰值温度为580℃，保温时间为5min，烧结银膜可以获得最好的结构和电性能。 配方4 （Bi2O3-B2O3系玻璃的配方） w(Bi2O3) w(B2O3) w(ZnO) w(Sb2O3) w(Al2O3) 65 25 5 3.5 1.5
2 气敏元件类型 气敏元件是指其特性参数会随外界气体浓度和种类的变化而随之发生明显变化的对气体敏感元件。人类的感觉器官缺乏对各种各样气体的定性和定量的分析判断能力，所以可以感知监能判断气体种类和浓度的气敏元件和气体传感器就成为传感器家族中十分重要的一员，依据各种结构、各种类型、各种原理、适合不同场合的气敏元件和气体传感器。 2.1 半导体式气敏传感器 所谓半导体式气体传感器，就是用半导体气敏元件和气体接触时，半导体的性能会因此而发生变化，从而检测出空气中某气体的浓度和其它成份的传感器。 半导体气体传感器，可分为两种，一种是电阻型半导体气体传感器，这一类半导体气体传感器大多采用SnO2、ZnO等氧化物材料来进行气敏元件制作，制作其工艺方法有厚膜型、薄膜型、烧结型；而另一种是非电阻型半导体气体传感器，非电阻型半导体气体传感器则有M0s—FET型、金属/半导体结型二极管型等等。 半导体气敏传感器一般的工作原理。该种传感器，其敏感材料通常采用活性相对来说比较高的金属氧化物材料，比如SnO2，金属氧化物半导体，处于空气 环境下温度升高到一定值时，氧原子将被带负电荷的半导体的表面所吸附，此时半导体表面的电子也会被转移到被吸附氧原子上，氧原子就会变成了氧负离子了，同时氧负离子会使得半导体的表面会有一个正的空间电荷层形成，半导体的表面势垒也会因此而升高，从而电子的流动受到了阻碍。在敏感材料的内部，想要形成电流，那么自由电子必须要穿过金属氧化物半导体的晶界，由氧吸附产生的势垒同样存在晶界，从而使得电子的自由流动受到了阻碍，传感器的电阻的存在就是因为这种势垒。传感器的阻值降低是因为：处于工作条件下的传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应从而使得传感器的表面氧负离子的浓度下降，势垒也随之下降。 2.2 固体电解质式气敏传感器 固体电解质就是能产生离子移动从而生成导电体的物质。因为固体电解质以离子导电为主，所以也称为离子导电体，离子大多数仅在高温的条件下导电性才
CVD 晶圆制造厂非常昂贵的原因之一，是需要一个无尘室，为何需要无尘室 答：由于微小的粒子就能引起电子组件与电路的缺陷 何谓半导体? 答：半导体材料的电传特性介于良导体如金属(铜、铝，以及钨等)和绝缘和橡胶、塑料与干木头之间。最常用的半导体材料是硅及锗。半导体最重要的性质之一就是能够藉由一种叫做掺杂的步骤刻意加入某种杂质并应用电场来控制其之导电性。 常用的半导体材料为何 答：硅(Si)、锗(Ge)和砷化家(AsGa) 何谓VLSI 答：VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路 在半导体工业中，作为绝缘层材料通常称什幺 答：介电质(Dielectric) 薄膜区机台主要的功能为何 答：沉积介电质层及金属层 何谓CVD(Chemical Vapor Dep.) 答：CVD是一种利用气态的化学源材料在晶圆表面产生化学沉积的制程 CVD分那几种? 答：PE-CVD(电浆增强型)及Thermal-CVD(热耦式) 为什幺要用铝铜(AlCu)合金作导线? 答：良好的导体仅次于铜 介电材料的作用为何? 答：做为金属层之间的隔离 何谓PMD(Pre-Metal Dielectric) 答：称为金属沉积前的介电质层，其界于多晶硅与第一个金属层的介电质 何谓IMD(Inter-Metal Dielectric) 答：金属层间介电质层。 何谓USG? 答：未掺杂的硅玻璃(Undoped Silicate Glass) 何谓FSG? 答：掺杂氟的硅玻璃(Fluorinated Silicate Glass) 何谓BPSG? 答：掺杂硼磷的硅玻璃(Borophosphosilicate glass) 何谓TEOS? 答：Tetraethoxysilane用途为沉积二氧化硅 TEOS在常温时是以何种形态存在? 答：液体 二氧化硅其K值为3.9表示何义 答：表示二氧化硅的介电质常数为真空的3.9倍 氟在CVD的工艺上，有何应用 答：作为清洁反应室(Chamber)用之化学气体 简述Endpoint detector之作用原理. 答：clean制程时,利用生成物或反应物浓度的变化,因其特定波长光线被detector 侦测到强度变强或变弱,当超过某一设定强度时,即定义制程结束而该点为endpoint.
WS-30A 气敏元件测试系统 使用说明书 郑州炜盛电子科技有限公司
WS-30A气敏元件测试系统186******** QQ2627662407 目录 第一章气敏元件测试系统简介 (4) 1.1产品概述 (4) 1.2组成 (5) 1.3工作原理 (5) 1.4主要技术参数 (6) 1.5硬件系统安装 (6) 1.6软件系统安装 (7) 第二章系统使用与操作 (8) 2.1基本操作 (8) 2.1.1程序启动 (8) 2.1.2窗口 (8) 2.1.3菜单的使用 (9) 2.2测试操作 (15) 2.2.1 界面及操作 (15) 2.2.2测试数据分析显示 (20) 2.2.3设置分档、分档结果显示 (23) 2.2.4测试参数设置 (25) 第三章使用示例 (26) 3.1示例 (26) 3.2有关说明 (29)
第一章气敏元件测试系统简介 1.1产品概述 WS-30A气敏元件测试系统由郑州炜盛电子科技有限公司研发。主要用于实验或批量生产中对气敏元件特性进行测试，一次能同时对30或64支气敏元件进行测试。通过对测试数据的处理，能以图形曲线和数据两种方式显示气敏元件的特性: ★可显示气敏元件负载输出电压； ★能计算元件电阻值、电压灵敏度和电阻灵敏度； ★能计算元件的响应时间、恢复时间； ★以友好、形象的界面对所测试元件进行虚拟列阵、编号； ★能根据测量结果对元件进行分档归类，在虚拟列阵上以不同颜色直观表示，并计算出在每一档范围内的元件数与所有参加测试的元件数的比例，并以百分数表示 可将气敏元件负载输出电压随时间变化的特性曲线在测试 过程中动态显示。 为方便观察，可以打开专用特性曲线观察窗口进行观察，窗口大小可以任意调节。 本系统还能对负载电阻进行虚拟设置，既只须对元件进行一次测试，然后通过设置虚拟电阻，既可计算、观察到气敏元件与不同负载电阻(虚拟)串联时的特性参数。