温度对金属氧化物半导体传感器的影响研究

金贵新，李世伟

（河南汉威电子股份有限公司，郑州450000）

温度对金属氧化物半导体传感器的影响研究

金贵新，李世伟

（河南汉威电子股份有限公司，郑州450000）

金属氧化物半导体传感器（MOS）既可以用于检测ppm级的有毒气体也可以用于检测百分比浓度的易燃易爆气体，无论是在工业现场的探测器还是在家庭中的报警器都有很广泛的应用。结合金属氧化物半导体传感器在检测有毒气体时温度对检测精度的影响，提出相应的温度补偿算法。实验表明，补偿后的金属氧化物半导体传感器能够实现对有毒气体的准确检测。

金属氧化物半导体传感器（MOS）；气体传感器；温度；有毒气体

0　引言

检测有毒有害气体已经成为各行各业保护工作人员生命和健康、保护国家和个人财产不受损害、保护生产和生活环境不受污染的有力手段，并成为石油化工、煤矿生产、市政设施、环境保护等方面的一项日常工作。对应各种有毒有害气体主要的危害性质和特殊的物理、化学性质，我们针对性地选择不同原理的传感器技术已实现对它们检测的同时，还需要兼顾到各种各样的因素，如成本、精度要求等。

1　半导体传感器

1.1半导体传感器的基本工作原理

其敏感体主要是由半导体材料制成的，其中应用最为广泛的半导体材料不是常见的硅、锗半导体，而是金属氧化物半导体，在气体传感器领域中应用最多的金属氧化物是SnO2，ZnO，Fe2O3，WO3等。

半导体式气体传感器的基本工作原理：就是在一定条件（温度）下，在被测气体到半导体表面并与吸附在半导体表面的氧发生化学反应的过程中伴随电荷转移，进一步引起半导体电阻的变化，通过测量半导体电阻的变化就可以实现对气体的检测。

金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当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而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。

1.2半导体传感器的分类

（1）按传感器所使用的敏感材料的差异可分为：SnO2类、ZnO类、Fe2O3类等。因为掺杂种类繁多，此分类不准确；

（2）按传感器内部结构的差异可分为旁热式、直热式、常温式三类。

被测气体在半导体表面与氧发生化学反应时通常需要一定的温度，要获得所需要的温度就必须通过加热器给传感器通电加热。当加热器与半导体材料为隔离状态时，这一类结构的传感器就是旁热式气体传感器；当加热器与半导体材料直接接触时，这一类结构的传感器即为直热式气体传感器；不需要附加加热器的传感器就是常温式气体传感器。

2　金属氧化物半导体传感器温度补偿

金属氧化物半导体传感器的工作原理决定了其正常工作时需要有恒定的温度条件，在工作环境温度发生变化时，检测误差将会大大增加。为了满足实际应用中不同温度环境下的正常工作，对气体浓度的精确检测，必须对其进行温度补偿。不同结构和不同半导体材料的传感器其特性也有区别，针对金属氧化物（ZnO）半导体传感器测苯蒸汽，进行了大量的实验，搜集整理了相应的数据并进行分析，针对这种情况，进行了大量的实验分析，积累了温度对于半导体传感器输出信号影响的数据，从而通过硬件处理与软件算法结合的温度补偿设计，对温度所引起的误差进行补偿。

硬件电路上采用差动运放电路进行温度补偿，软件算法上通过内置的仪器内置的温度传感器，结合实验数据库进行补偿。具体算法流程如下图：

图1　金属氧化物传感器温度补偿算法流程图

如图2所示，首先需要通过大量的实验数据和实验分析建立不同温度下传感器浓度值变化数据的专家库，在用金属氧化物（ZnO）半导体传感器测苯蒸汽设计探测器时，探测器内部要有精度较高的温度传感器，通过高精度的温度传感器获取被测环境中的温度值，根据被测气体环境的温度值，从专家库中调取对应的温度补偿算法，然后将补偿后的浓度值与补偿前的浓度值进行对比，与专家库中的经验值在一定的阈值范围内，接受该浓度值，否则重新调用专家库中的补偿算法，直至显示出准确的浓度值。

3　实验分析

为了验证金属氧化物（ZnO）半导体传感器测苯蒸汽温度补偿算法是否可以提高检测精度，取某型号金属氧化物（ZnO）半导体测苯蒸汽传感器50只，安装在某厂家生产的50台量程为0～1000ppm测苯蒸汽的气体探测器（工作温度-10℃～40℃）上，分别将其编号为1到50号。

苯蒸汽探测器使用没有进行任何温度补偿的嵌入式软件算法，将50台探测器同时放置在浓度200ppm的苯蒸汽环境中，调节环境温度，调至室温20℃，记录每台的数据，再依次升高至30℃、40℃、50℃，降低至0℃、-10℃，并分别记录在不同温度下的每一台的浓度数据。根据数学统计的方法，对每个温度下的检测到的浓度值进行处理，得出在不同温度下的浓度值。同样，对500ppm浓度的NH3进行相同的试样。

将同样的50只金属氧化物（ZnO）半导体传感器测苯蒸汽传感器安装在带有高精度内置温度传感器且含有温度补偿专家数据库和温度补偿算法的50台同样的气体探测器上。按照上述相同的试验方法进行实验，并记录相应的实验数据。

在浓度为200ppm和500ppm浓度的苯蒸汽中，气体探测器在有无温度补偿算法时不同温度下探测器检测到的实际浓度值如下图所示：

图2　金属氧化物半导体传感器测苯蒸汽不同浓度下有无温度补偿对比

由上图可知，在200ppm和500ppm时，没有温度补偿的情况下，传感器检测出的气体浓度随温度变化非常大，误差已经超过允许范围，通过硬件和软件温度补偿之后，在不同温度下，探测器检测到的浓度值得误差均在3%以内，可以满足使用要求。

4　结语

由实验结果可知，在使用金属氧化物（ZnO）半导体测苯蒸汽传感器进行苯蒸汽检测时，需要对其进行相应的温度补偿，以满足实际应用中的需求。在未来的工作中，将进一步对电化学传感器的性能进行研究，将金属氧化物（ZnO）半导体测苯蒸汽的温度补偿算法在其他的半导体传感器的应用上进行移植，最终解决所有半导体传感器在检测时温度的影响。

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Research on the Influence of Temperature on the Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor

JIN Gui-xin，LI Shi-wei
（Henan Hanwei Electronics Co.，Ltd，Zhengzhou 450000）

Metal oxide semiconductor（MOS）sensor can be used to detect the PPM level of toxic gas，and can also be used to detect the percentage concentration of flammable and explosive gas，both in the industrial field of detector and alarm in the family has a wide range of applications.Combined with the detection of toxic gas metal oxide semiconductor sensor when the temperature's influence on the accuracy，puts forward the corresponding temperature compensation algorithm.Experiments show that the compensation of metal oxide semiconductor sensor can realize accurate detection of toxic gases.

Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor；Gas Sensor；Temperature；Toxic Gas

1007-1423（2016）23-0043-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.23.011

李世伟（1989-），男，河南平顶山人，研究生，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用

2016-08-01

2016-08-10

金贵新（1972-），男，河南信阳人，本科，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用