半導體氣體傳感器工作原理及結構特征

氣體傳感器主要有半導體式、接觸燃燒方式、化學(xué)反應式、光干涉式、熱傳導式、紅外線(xiàn)吸收散式等。而這當中以半導體氣體傳感器應用更為廣泛。

半導體氣體傳感器由氣敏部分、加熱絲以及防爆網(wǎng)等構成，它是在氣敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金屬氧化物中添加Pt、Pd等敏化劑的傳感器。傳感器的選擇性由添加敏化劑的多少進(jìn)行控制，例如，對于ZnO2系列傳感器，若添加Pt，則傳感器對丙烷與異丁烷有較高的靈敏度；若添加Pd，則對CO與H2比較敏感。

氣體傳感器以陶瓷管為框架，外覆一層敏感膜的材料，利用膜兩端的鍍金引腳進(jìn)行測量。敏感膜的材料最常用的有金屬氧化物、高分子聚合物材料和膠體敏感膜等。它的兩個(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。金電極連接氣敏材料的兩端，使其等效為一個(gè)阻值隨外部待測氣體濃度變化的電阻。由于金屬氧化物有很高的熱穩定性，而且這種傳感器僅在半導體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應，半導體內部化學(xué)結構不變，因此，長(cháng)期使用也可獲得較高的穩定性。原理簡(jiǎn)介如下：金屬氧化物一旦加熱，空氣中的氧就會(huì )從金屬氧化物半導體結晶粒子的施主能級中奪走電子，而在結晶表面上吸附負電子，使表面電位增高，從而阻礙導電電子的移動(dòng)，所以，氣體傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時(shí)還原性氣體與半導體表面吸附的氧發(fā)生氧化反應，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化，因此，傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對于還原性氣體，電阻值減??；對于氧化性氣體，則電阻值增大。這樣，根據電阻值的變化就能檢測氣體的濃度。