上海千实解读半导体气敏传感器的原理

半导体传感器是一种采用半导体气敏为主要使用材料的传感装置，它利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度。并且，它具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，成为世界上产量、使用广的传感器之一。
当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，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。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则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。具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON,等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体。
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型材料有SnO2、ZnO、TiO型等，P材料有MoO2、CrO3等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气将使半导体载流子减少，而使电阻值增大;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，则载流子增多，使半导体电阻值下降。例如: SnO2金属氧化物半导体气敏元件，在200-300度时吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其阻值增加。而当遇到有能供给电子的还原型气体（如CO等)时，原来吸附的氧脱附，而以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值回升到初始状态。
空气中的氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。
气敏元件在工作时都需要加热，其目的是加速气体吸附、脱出的过程，提高器件的灵敏度和反应速度;烧去附着在探测部分的油雾、尘埃等污物，起清洁作用;控制不同的加热温度，可以增强对被测气体的选择性，在实际工作时一般要加热到200-400度。