半导体式气体传感器的原理说明

发布日期:
2020-12-14

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一、传感器基础架构:

1、 在洁净的空气中,氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子,造成电子难以流动的状态。

半导体式气体传感器的原理说明

2、 在被测气体环境中,表面的氧与还原气体反应后消失,氧化锡中的电子重获自由,电子流动通畅。

半导体式气体传感器的原理说明 

二、传感器的检测原理

       当氧化锡粒子在几百度的高温下暴露在氧气中时,氧气捕捉粒子中的电子后,吸附于粒子表面。结果,在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小,因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭(volume depletion)。相反,把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭(regional depletion)。
       使氧气分压从零(flat band开始按照小([O-](Ⅰ))→中([O-](Ⅱ))→大([O-](Ⅲ)))的顺序上升时,能带结构与电子传导分布的变化如下图所示([O-]:吸附的氧气浓度)。在容衰竭状态下,电子耗尽层的厚度变化结束,产生费米能级转换pkT,电子耗尽状态往前推进则pkT增大,后退则pkT缩小。

 

随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进

 半导体式气体传感器的原理说明

       容衰竭状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e]S可用施子密度Nd、粒子半径a以及德拜长度LD通过式子(1)表示。如果p增大则[e]S减少,p减少则[e]S增大。

[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)

      由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R,可使用flat band时的电阻值R0,通过式子(2)表示。[e]S减少则将增大,[e]S增大则将缩小。

R/R0= Nd/[e]S ... (2)

       使用了氧化锡的半导体式气体传感器,就是这样通过氧化锡粒子表面的[O-]的变化来体现电阻值R的变化。

       置于空气中被加热到几百度的氧化锡粒子,一旦暴露于像一氧化碳这样的还原性气体中,其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后,使[O-]减少,结果是[e]S增大,R缩小。消除还原性气体后,[O-]增大到暴露于气体前的浓度,R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。

 


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