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半导体气敏传感器—Aeroqual制造的GSS传感器

2024/6/15 22:26:38发布89次查看
随着科技水平的发展,气体检测在污染源检测、医疗卫生、地震预报、矿井安全化工过程控制、石油勘探等传统工业,乃至现在所有的新技术革命带头学科如新型材料、微电子学、生物科学等领域均有着越来越广泛的应用。目前检测气体的方法和手段已经非常多了,主要包括电化学法、气相色谱法、红外吸收法、导热法、半导体气体传感器检测法。同时随着人们生活水平的提高及社会发展,需要检测的气体种类也越来越多,由原来的还原性气体(h2、c4h10、ch4等)扩展到毒性气体(co、nox、h2s、nh3、o3等)以及与食品有关的气体(鱼品新鲜度的三甲胺、醋酸乙酯等),为了满足这些要求,气体检测相关仪器必须具有较高的灵敏度和选择性,重复性和稳定性要高,而且能大批量生产,性价比要求高。而半导体气体传感器具有的灵敏度高、对信息感应的速度较快、体积构成较小、质量要求较低等特点,在不同领域表现出了其应用范围的广泛性。
半导体传感器种类很多,按照原理的不同有气敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、离子敏传感器和色敏传感器,其中气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多,性质各不相同,不可能用一种传感器检测所有类别的气体,因此,能实现气-电转换的传感器种类很多,按构成气敏传感器的材料又可分为半导体和非半导体两大类,目前实际使用多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时,产生氧化和还原反应导致敏感元件的电导率等物理性质变化来检测气体的。半导体气敏传感器可分为表面控制型和体控制型,表面控制型:半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部化学组成不变;体控制型:半导体与气体的反应,使半导体内部组成发生变化,而使电导率变化。
当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在表面物性自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时,吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。例如,氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或离子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体还有h2、co、碳氢化合物和醇类,它们被称为还原型气体或电子供给性气体。
当氧化型气体吸附到n型半导体上,还原型气体吸附到p型半导体上时,将使半导体截流子减少,而使半导体电阻值增大。相反,当还原型气体吸附到n型半导体上,氧化型气体吸附到p型半导体上时,则截流子增多,半导体电阻值下降。
由于空气中的含氧量大体是恒定的,因此氧的吸附量是恒定的,器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化,其阻值也将变化。根据这一特性,可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏的响应时间一般不超过1min,n型材料有二氧化锡(sno2)、氧化锌(zno)、氧化钛(tio)等,p型材料有二氧化钼(moo2)、三氧化铬(cro3)等。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,若工作条件较恶劣的情况下,气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会影响使用性能。因此,对气敏元件要求:能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质产生的影响小。用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气,石油化工等部门的易燃、易爆、有毒有害等气体的监测、预报以及自动控制。
新西兰空气质量监测专家aeroqual公司成立于2001年,一直致力于开拓相关空气质量监测产品、技术及市场领域,相关技术产品应用于50多个国家的多种环境下的空气质量监测。aeroqual在传感器技术、制造及校验领域具有深入及全面的专业技术,aeroqual制造的gss传感器采用金属氧化物半导体(mos)传感原理,可测量o3、no2、voc,并自带除气器和过滤器,具有以下优势:
1、 探测下限低:三氧化钨(wo3)材料粒径很小,结构松散,比表面积大,对气体高度敏感,o3和no2探测下限低至1ppb。
2、 选择性好:通过在金属氧化物材料中添加敏化剂,结合温度控制,可实现对不同气体的高选择性。
3、 严控零点漂移:定期切换到调零气路,高温分解半导体表面残余的被测气体,消除零点漂移,24小时漂移在1ppb之内。
4、 消除温湿度影响:测量周期和调零周期均处于几高温下,从本质上消除温湿度影响。
5、 长期稳定性高:仅在半导体表面发生反应,半导体内部化学结构不变。
因此,美国环保总署epa在其推出的《空气传感器指南》中推荐了使用aeroqual的no2和o3传感器。
森馥科技空气质量事业部
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