【文章內(nèi)容簡介】 Oi 和金屬間隙原子 Mi等缺陷。有時還會有意無意地向晶體中引入雜質(zhì)原子，例如為了增加 Sn02 的電導(dǎo)，摻入銻 (Sb)，銻原子取代錫原子的位置，形成替位式雜質(zhì)原子 Sbsn。這些缺陷和雜質(zhì)形成附加能級， Sn02 的電導(dǎo)控制就是由這些缺陷和雜質(zhì)來決定。 Sn02 氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件，制備元件的氣敏材料是多孔質(zhì)的 Sn02 燒結(jié)體。在制備氣敏元件的 Sn02 時，要經(jīng)過高溫鍛燒的過程，在制 備時氧分壓較低的情況下，氧空位 Vo是 SnO2 的主要缺陷。 SnO2 的一個氧空位相當(dāng)于從 02格點處拿走一個中性原子 O，于是在 Vo處留下兩個電子，它與附近的錫離子在 Vo處的有效電荷分布之和正好抵消，保 持電中性。但是，這兩個電子容易被激發(fā)到導(dǎo)帶上去成為自由電子，因此 Vo 電離起施主作用。 Vo = Vo++ e （ 53） Vo+= Vo2++ e （ 54） 銻原子代替錫原子成為替位式原子時，由于銻原子可電離成 Sb5+，其化合價高于錫離子，會 有多余的電子激發(fā)出去，因此起施主作用 Sn02 在禁帶靠近導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生施主能級，因此 Sn02 是 N 型半導(dǎo)體，這些施主能級上的電子，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶，從而參與導(dǎo)電。通常元件存放在空氣中，空氣中像氧這樣電子兼容性大的氣體，接收來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負電荷，形成受主型表面能級，使表面帶負電，結(jié)果導(dǎo)致 N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少使表面電導(dǎo)減少，從而使元件處于高阻狀態(tài)。根據(jù)晶粒接觸界面勢壘模型和吸收效應(yīng)模型的討論，可知 SnO2 的晶粒接觸界面存在電子勢壘，即晶界勢壘，其作用是阻礙電子的運動。晶粒接觸 部位電阻 (即頸部電阻 )對元件電阻大小起支配作 第 7 頁 用，顯然，這一電阻主要取決于勢壘高度和接觸部形狀，即主要受表面狀態(tài)和晶粒直徑大小等的影響。模型如圖 520 所示 分子或原子吸附在 SnO2 表面，一般有兩種吸附，物理吸附和化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附的氧包括吸附在固體表面的氧的“分子離子” O2ad；吸附在表面的“原子離子” Oad；吸附在固體表面的帶兩個電子負電荷的氧離子 O2ad；及晶格氧離子。吸附態(tài)的 O2ad 不穩(wěn)定，會與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或落入氧空位。 在低溫下，氧在 Sn02 表面以分子離子形式被化學(xué)吸附，隨著溫度的 圖 520 晶界勢壘模型 升高，轉(zhuǎn)變?yōu)樵与x子形式被吸附，即 分子離子吸附過程 : e + O2= O2ad （ 55） 原子離子吸附過程 : O2ad+e=2Oad （ 56） 由于氧吸附力很強，因此， Sn02 氣敏元件在空氣中放置時，其表面上總是會有吸附的氧，其吸附狀態(tài)可以是 O， O2， O2等等，均是負電荷吸附狀態(tài)，這對 N 型半導(dǎo)體來說，形成了電子勢壘，使表面勢壘增大，晶界勢壘升高，耗盡層展寬，元件阻值升高。 當(dāng) SnO2 暴露在還原性氣氛中時，比如 NH3， H2， CO 等，因為還原性氣體和Sn02 表面吸附的氧發(fā)生還原反應(yīng)，降低了 O 一的密度，同時將電子釋放回 Sn02表面附近的導(dǎo)帶，使表面附近載流子濃度 (即電子濃度 )增大，表面電導(dǎo)增大。 用方程式表示 SnO2 表面在 CO 中的情況 : Oad+ H2→ CO2+ e （ 57） 或 O2ad+ 2H2→ 2H2O + e （ 59） 由于在各種不同的氣氛中氧化還原反應(yīng)速率不同，因此造成對不同氣體靈敏度不同。由于氧化還原反應(yīng)速率和溫度有關(guān)，因此選擇不同的工作溫度，會使傳 第 8 頁 感器有不同的靈敏度和相應(yīng)特性。 167。 SnO2 的敏感 機理 一氧化碳氣體與 N 型半導(dǎo)體二氧化錫反應(yīng)，使電導(dǎo)增大的機理有下面說法 一氧化碳氣體與二氧化錫半導(dǎo)體表面上吸附的氧反應(yīng)，造成吸附氧的脫離，使表面勢壘下降 . 在 CO 氣氛中， SnO2 表面的反應(yīng)過程為 : 2CO + O2→ 2CO2+ e （ 510） CO+ O2→ CO2+ 2e （ 511） 由于吸附在 Sn02 半導(dǎo)體表面上的氧和一氧化碳氣體發(fā)生反應(yīng)，如上兩式，SnO2 半導(dǎo)體表面上的氧便脫離 SnO2 半導(dǎo)體表面，同時將電子釋放回 Sn02 表面附近的導(dǎo)帶，晶界勢壘降低，表面附近載流子濃度 (即電子濃度 )增大，表面 電導(dǎo)增大。這個勢壘高度又與吸附 CO 的分子數(shù)有關(guān)，所以表面電導(dǎo)率與 CO 氣體濃度有關(guān)。 CO 氣體濃度高，電導(dǎo)率增大。而當(dāng) CO氣體濃度高到不能完全被半導(dǎo)體表面吸附的氧氧化時，其電導(dǎo)率將變化不大，元件靈敏度也變化不大， Pt 在微氣體傳感器中除了做電極外，也起到這種催化劑的作用，因而元件的靈敏度有很大的提高。 下面是半導(dǎo)體傳感器的性能參數(shù)： (1)氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件 (電阻型 )的固有電阻值，表示為 Ra。一般其固有電阻值在 (103～ 105)Ω 范圍。 (2)氣敏元件的靈 敏度 氣敏傳感器在一定工作條件下，接觸到某種氣體，其電阻值 Rs 隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用 K 表示 : K=Rs／ R0 式中， R0為氣敏傳感器在潔凈空氣中電阻值， Rs為氣敏傳感器在一定濃度的檢測氣體中的電阻值。 (3)氣敏元件的響應(yīng)時間及恢復(fù)時間 氣敏元件的響應(yīng)時間，表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸開始計時，直到氣敏元件的阻值達到 第 9 頁 在此濃度下穩(wěn)定電阻值的 63%時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣 體中的響應(yīng)時間，通常用符號 tr表示。 氣敏元件的恢復(fù)時間，表示在工作溫度下，被測氣體由該元件解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測氣體開始計時，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63%時為止，所需時間稱為恢復(fù)時間。 (4)初期穩(wěn)定時間 在非工作狀態(tài)下長期存放的氣敏元件，因表面吸附空氣中的水氣或者其它氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)發(fā)生了變化，在加上負電荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此，氣敏元件要恢復(fù)正常工作狀態(tài)，需要一定的時間。一般電阻型氣敏元件，在剛通電的瞬間，其阻值將下降，然后再上升，最后達到穩(wěn)定。從開始通 電直到氣敏元件阻值達到穩(wěn)定所需時間，稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間與環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放的時間越長，其初期穩(wěn)定時間也就越長。 (5)氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 半導(dǎo)體氣敏元件一般要在較高的溫度 (300℃ 一 400℃) 環(huán)境中工作。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱器的電阻稱為加熱電阻，常用符號 RH 表示。直熱式氣敏元件的加熱電阻值一般較小 (小于 5Ω )，旁熱式氣敏元件的加熱電阻較大(大于 200Ω )。氣敏元件正常工作所需的加熱功率用 PH 表示，一般在 一 范圍。 選擇合適的氣體傳感器對于具體 的應(yīng)用來說是非常關(guān)鍵的，經(jīng)過查找資料，本課題最終決定使用 TGS832 傳感器， TGS825 傳感器和 TGS826 傳感器。 TGS25 傳感器又叫硫化氫傳感器，主要監(jiān)測氣體： H2S,測量范圍 5100ppm，靈敏度 +/。 TGS826 傳感器又叫氨氣傳感器，主要監(jiān)測氣體：氨氣，測量范圍 30300ppm，靈敏度 。 TGS832 傳感器又叫 R134a 鹵素氣體傳感器，主要監(jiān)測氣體： R134a 的鹵素氣體，測量范圍： 103000ppm，靈敏度 。 費加羅公司生產(chǎn)的 TGS8XX 系列傳感器具有功耗低，壽命長，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是本課題傳感器不錯的選擇如圖 。 第 10 頁 為了校正溫濕度對電子鼻系統(tǒng)的影響，傳感器板上擴展了 AM2302 型 數(shù)字溫濕度傳感器 ，其 是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，擁有以下優(yōu)勢： （ 1） 它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性