关于半导体气敏传感器的原理及应用

徐艳华++张建平++苏燕++代亭

摘 要：该文探讨了半导体气敏传感器的基本工作原理以及具体实际应用技术，并且介绍了气敏传感器在性能方面的不足之处以及相应的改善措施，也通过相关的实例证明了半导体气敏传感器的实际应用，说明了半导体气敏传感器在测量方面的有用之处以及所需材料少但反映效果良好的特点，因此在实际应用上也发挥了巨大作用。

关键词：半导体 传感器 原理 应用

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（b）-0079-02

在工业上，通常会有检测气体浓度以及所含成分的需要，这个时候半导体气敏传感器就能够发挥它的作用，由于其基本工作原理的特殊性，使得其能够实现这一工作要求。除此之外，半导体气敏传感器还能够检测到工厂车间存在的有害气体以及工业装置中的废气气体、家庭中存在的可燃性气体，因此，半导体气敏传感器还能够完成一定的防治公害任务，在环境的检测与监控上也能够做出相应的工作成果。

1 半导体气敏传感器的基本工作原理

半导体气敏传感器是由气敏以及加热丝、防爆网构成，并且气敏中含有氧化锡、三氧化二铁以及氧化锌等。半导体气敏传感器在工作的过程当中，其半导体金属氧化物的表面与待测气体在接触之时会发生化学反应，并通过这一过程中产生的电导率的物性变化从而检测出相应的气体成分。

半导体对两种气体都具有吸附能力，N型半导体会对氧化型气体起到吸附的作用，P型半导体会对还原型气体起到吸附作用，在发生吸附作用之时，载流子会相应减少，这时半导体的电阻会增大。与此截然不同的是，N型半导体如果吸附的是还原型气体，P型半导体吸附的是氧化型气体则会使得载流子增多从而电阻减小。半导体气敏传感器与气体，接触的时间一般在1 min，举例来讲，N型材料一般使用氧化锡、氧化锌、二氧化钛以及三氧化二钨等，P型材料一般使用二氧化钼以及三氧化铬等。

在空气之中，含氧量一般是恒稳定的，借此可以推断出氧的吸附物质的能量也是恒稳定的，并且气敏器件的阻值也是保持稳定不变的状态。当所测量的气体融入这样恒稳定状态的气体之中，器件的表层会发生吸附从而器件的电阻值会发生变化，并且器件的阻值会因气体浓度的变化也发生相应的反应，因此能够在浓度与阻值的变化形态上推测出气体的基本浓度。

2 半导体气体传感器发展现状

相关数据资料表明，半导体金属氧化物的导电性对气体环境的要求是十分复杂的，在1962年才有专家学者研究出采用氧化锌膜以及氧化锡元件对可燃气体测定的方法，可以说半导体气敏传感器的發展历史较为艰难。在此之后，科学家通过改变器件敏感特性的方式使得半导体器件能够广泛地推广到人们生活实际运用当中，并且凭借其气体成分检测功能实现了对城市煤气泄漏情况的检测以及警示。为了实现人们生活的便利化发展，需要半导体传感器发挥更多的功能，因此科学家经过不懈的努力将半导体传感器的灵敏度、特异性选择以及恒稳定性都提高了几个层次，近期科学家还在研究半导体传感器具有的其他性能，从而能够完成更多有利于人们生活便利以及提高生活品质的潜在特性。

3 半导体气敏传感器的应用

3.1 气敏传感器的性能改善方式

3.1.1 提高气体的检测灵敏度

化学气体由于其特质对人体具有不同的影响，因此环境以及卫生部门对使用气体的浓度都有相应的规定标准，出于工业使用或者其他使用用途，大量具有毒性气体频繁被使用，为了环境友好型社会的继续保持，因此相应的对半导体气敏传感器的气体检测精度提出了要求，希望其检测浓度能够精确到10%的气体。

3.1.2 减少共存气体的影响

在检测的过程当中，除了能够探测到被要求的探测气体之外，还存在着很多其他气体，由于其他气体也会对半导体气敏传感器形成探测影响，这就对传感器的设计提出了要求，相应的传感器不能够受到其他气体的影响，否则会对探测结果产生误差。

3.1.3 延长传感器的寿命

半导体气敏传感器在检测气体的过程当中，由于气体种类以及电解质溶液成分的不同，使得半导体气敏传感器具有多种类型，其使用寿命少为6个月多则3年，出于对材料的节约以及使用便利的目的，相应的研究者需要提高传感器的使用寿命最少为1年。

3.1.4 免校正

在使用过程当中，气敏传感器需要对校正气体进行校正，并且需要根据不同气体具有的不同特质从而设定不同的校正时间，一般的校正时间为6个月校正一次，这样更能够保持数据的稳定性。而部分溶水反应较强的气体如氯化氢以及氟化氢在使用校正型传感器后提取实验结果会比较复杂，这就需要设计出不需要校正的气敏传感器，从而避免实验结果误差的情况出现。

3.1.5 扩大环境使用范围

由于多种因素的制衡，使得所探测的气体灵敏度会受到一定的影响，因此，将电位进行反复设定以及电解质、电极材料进行更新，能够在一定程度上提高所探测气体的灵敏度，并且能够将共存气体带来的实验误差降到最低。电极材料在使用中大多会采用铂、金等金属，并且采用的新型电极材料能够对共存气体的排除具有良好的效果，这样能够在极大程度上提高所探测气体的灵敏度。可以通过相应的化学物质反应的方式来除掉共存气体，传感器也能够通过电气特点的差异性来将共存气体对所探测气体造成的影响降到最低。

3.2 气敏传感器的应用

半导体气敏传感器在应用上主要发挥其检测气体性质的作用，一般用来做检漏仪、报警器以及自动控制仪器和测试仪器。相应地使用到的方法是将气体与电子转化，从而使得气敏器件获得信号，获取信号的方式具体为利用吸附平衡状态稳定、吸附平衡速度以及吸附平衡值与温度的依存性。除此之外，半导体气敏传感器还能够通过其检测气体成分的作用来检测出空气中的有害气体，并通过其他反应方式将其分解，起到了防治公害的作用。

参考文献

[1] 张维新.半导体传感器[M].天津：天津大学出版社，1990.

[2] 刘国华，杜忻锐.半导体敏传感器的原理及应用[J].煤炭技术，2001，20（9）：11-12.

[3] 尤克，倪景秀.气敏传感器及其应用[J].仪表技术与传感器，2007（7）：78-80.