[科普中國]-氣敏傳感器

氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成分的傳感器，它對于環(huán)境保護和安全監(jiān)督方面起著極重要的作用。氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大， 又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。所以對氣敏傳感器有下列要求：能夠檢測報警氣體的允許濃度和其他標準數(shù)值的氣體濃度，能長期穩(wěn)定工作，重復性好，響應速度快，共存物質(zhì)所產(chǎn)生的影響小等。1

概述氣敏傳感器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。

它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。1

工作原理聲波器件表面的波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以獲得準確的反應氣體濃度的變化值。1

分類1970年，荷蘭科學家Bergveld研制出了對氫離子響應的離子敏感場效應晶體管，標志著離子敏半導體傳感器的誕生。半導體傳感器以其易于實現(xiàn)集成化，微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點，一直引起世界各國科學家的重視和興趣。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世。這類傳感器主要是以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測這些物理特性的變化，即可反映被測參數(shù)值。它與各種結(jié)構(gòu)型傳感器相比，具有如下特點：

由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒有相對運動部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡單，微型化；

靈敏度高，動態(tài)性能好，輸出為電量；

采用半導體為敏感材料容易實現(xiàn)傳感器集成化，智能化；

功耗低，安全可靠。同時，半導體傳感器也存在以下一些缺點：

線性范圍窄，在精度要求高的場合應采用線性化補償電路；

與所有半導體元件一樣，輸出特性易受溫度影響而漂移，所以應采用補償措施；

性能參數(shù)離散性大。

雖然存在上述問題，但半導體傳感器仍是傳感器發(fā)展的重要方向，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體傳感器的技術(shù)也日臻完善。

從所使用的材料來看，凡是使用半導體為材料的傳感器都屬于半導體式傳感器，如，霍爾元件、光敏、磁敏、二極管和三極管熱敏電阻、壓阻式傳感器、光電池、氣敏、濕敏、色敏和離子敏等傳感器。有些內(nèi)容與其他傳感器互相交叉，已在其它章中介紹。本章主要介紹氣敏、濕敏、磁敏、色敏和離子敏半導體式傳感器。2

應用氣敏傳感器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂勠11、R12蘺檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 由于氣體種類繁多, 性質(zhì)各不相同不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體因此能實現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體氣敏傳感器因此本文主要講述半導體氣敏元件的有關(guān)原理及應用。

半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，產(chǎn)生的電導率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。 按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導體的電導率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學組成不變，后者半導體與氣體的反應，使半導體內(nèi)部組成發(fā)生變化而使電導率變化。 按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度廠半導體式氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應，使其某些關(guān)系特性發(fā)生改變無對氣體進行直接或間接的檢測，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟大學