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、化學反應式、光干涉式、熱傳導式、紅外線吸收散式等。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。它的兩個關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生可逆氧化還原反應，半導體內部化學結構不變，因此，長期使用也可獲得較高的穩定性。原理簡介如下：金屬氧化物一旦加熱，空氣中的氧就會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，所以，氣體傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時還原性氣體與半導體表面吸附的氧發生氧化反應，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發生變化，因此，傳感器的電阻值要發生變化。對于還原性氣體，電阻值減小；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。