集成气体传感器概述
2014-11-20 14:10:11   来源：微迷   评论：0   点击：

1 引言

随着各种天然气、煤制气、液化气在人类日常生产生活中不断被开发和使用，各种可燃性气体经常会弥散在工作场所和人们的生活中。为了有效地进行燃气生产中的质量监控和气体成分分析、环境保护中的空气污染检测和对民用燃气泄露的检测及报警，气体传感器应运而生。气体传感器是用于检测各种气体的存在和浓度的传感器， 主要应用于城市生活安全，比如检测燃气（液化石油气、煤气）、酒精、氢气等的浓度；以及应用于工业作业过程中，包括炼钢、发酵、冶金、矿井、骑车、嗅觉传感器等等。目前气体传感器的检测对象主要是有毒性气体和可燃烧性气体。

由于其工作属性所致，气体传感器应具备以下两个特性：1. 选择性，即对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；2. 灵敏度和动态响应范围，即在被测气体浓度降低时，有足够大的响应信号，在被测气体浓度较高时，有较好的线性响应值。

按照不同的工作特性来分类的话，大致可以分为以下几个类型：半导体型、电化学型、光化学型、天然与仿生型以及其他类型。

下面针对这几个集成气体传感器进行详细逐一介绍。

2 金属氧化物半导体气体传感器

许多金属氧化物半导体，在表面吸附气体之后，该半导体元件的电阻值会发生变化。这一特性可以被用来制作气体传感器。

半导体与气体相互作用如若局限于表面，则该传感器是表面控制型。表面控制型的传感器在与被测气体接触后，利用表面电导发生的变化来进行检测。氧化锡和氧化锌等材料多用于制造此类传感器。此类气体传感器检测灵敏度高，相应速度快，大多以可燃性气体作为检测对象。在这类金属氧化物中，若出现金属过剩或氧缺少时，产生晶格缺陷从而形成施主能级，形成N型半导体。由于N型半导体中的载流子是电子，迁移率较大，电子的浓度变化所引起的电导率变化也会变大，这就有利于提高灵敏度。

如若半导体与气体之间的相互作用涉及到半导体的内部，则该传感器是体控制型。体控制型气体传感器与被测气体接触以后，气敏材料的晶体结构会发生变化，使得其电阻发生变化。

另外，可以通过一些方式来改进金属氧化物半导体传感器的选择性，除了添加催化金属外，还可以通过调节工作温度和去除干扰气体成分来达到目的。

3 钯栅场效应晶体管气体传感器

如果用金属钯代替常用的铝作为栅电极材料制造金属氧化物场效应气敏器件，这种器件的二氧化硅层厚度会比通常的MOS场效应管薄，并且用钯作为栅极材料。由于这种气敏器件对氢气很敏感，且选择性很好，故可作为氢敏器件。

当某种气体吸附在栅极表面时，MOSFET栅金属的功函数φM发生变化，因而使金属与半导体的功函数差φMS发生变化，导致该MOSFET的阈值电压VT发生变化。MOSFET气敏传感器是一种电压控制型传感器。当栅极吸附气体使阈值电压VT发生变化时，调节栅源电压VGS使漏极电流 ID 保持不变。栅源电压VGS的变化等于阈值电压VT的变化。

由于钯的催化作用，使氢分子吸附在栅极表面后很快离解成氢原子。氢原子能够渗入钯并在钯中扩散，吸附在钯-二氧化硅界面，在界面上形成偶极层，这样钯的功函数会发生变化，导致该钯栅场效应晶体管气体传感器的阈值电压VT下降。阈值电压变化与氢气浓度的关系如图1所示。

图1 阈值电压变化与氢气浓度的关系

通常，氢气敏感传感器应工作于高温空气中。由于空气中大量氧的存在，会在钯表面形成水分子，减少了钯-绝缘体界面处的有效氢原子数。因此当温度较高时传感器的灵敏度会更高。

4 半导体二极管气体传感器

金属功函数因某种因素作用而变化，势垒高度会随之发生变化，这会导致伏安特性也会发生变化。然而由于钯和硅很容易在界面处产生硅化物，致使结构改变，直接与硅接触形成势垒的是硅化钯，而硅化钯的功函数对氢是不敏感的。因此用钯-硅形成的肖特基二极管的势垒高度对氢是不敏感的。

为了解决这一问题，可以在钯和硅之间夹一层薄二氧化硅，来组织钯和硅反应，同时由于该二氧化硅层足够薄，可以使电子在基本不受阻挡地通过。当氢气被吸附在催化金属表面，在催化金属的作用下，氢分子分解产生氢原子，氢原子扩散通过金属膜，到底金属-绝缘层界面。由于界面电荷的吸引，氢原子被吸附在金属-绝缘层界面处，形成一偶极层，这个偶极层将改变催化金属的功函数，而使得二极管的势垒降低。

5 结论

集成气体传感器有着广泛的应用前景和广阔的市场空间。目前对集成气体传感器的研究主要是针对有毒性气体和可燃烧性气体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度、恶劣环境中的工作时间以及减低成本和智能化等。稳定的性能以及快的相应速度和良好的重复性也是人们不断追求的目标。