半導體氣體傳感器的工作原理及應用

氣體傳感器在環境監測中占有重要地位。

目前，氣體傳感器監測氣體的方法和手段有非常多種，包括：電化學法、氣相色譜法、導熱法、紅外吸收法、接觸燃燒法、半導體氣體傳感器檢測法、光纖法等。不過從材料的應用范圍、普及程度以及實用性來看，半導體氣體傳感器的應用無疑是占據了氣體傳感器的半壁江山。

一、什么是半導體氣體傳感器？

想要具體了解什么是半導體傳感器，首先我們應當知道什么是半導體。

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明應用、大功率電源轉換等領域應用。如二極管就是采用半導體制作的器件。無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。

二、半導體傳感器的分類

半導體傳感器包括非電阻式氣體傳感器和電阻式氣體傳感器。

1、非電阻式氣體傳感器主要是利用一些物理效應與器件特性來檢測氣體，如肖特基二極管的伏安特性和金屬氧化物半導體場效應管閥值電壓變化等特性。

2、電阻式氣體傳感器是利用其阻值變化來檢測氣體濃度。此類傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、成本低廉、響應時間和恢復時間短等優點，市面上常見的半導體氣體傳感器大都為電阻式氣體傳感器。

三、半導體氣體傳感器的工作原理

在真空中（沒有外界干擾時），半導體材料內部有很多電子可以導電，在半導體在接觸空氣后會吸附氧，氧會捕獲并固定那些半導體內的電子，我們以監測甲烷為例：在此狀態下如果半導體接觸到像甲烷這樣的氣體，甲烷就會把氧氣反應掉，那些被氧捕獲得電子就重獲自由，回到半導體內，改善其導電性能。這個過程是電子在氧和半導體之間交換的過程，電子被氧固定時，半導體電阻變大；甲烷反應掉氧，電子回到半導體中時，半導體電阻就小。電阻變化就和甲烷濃度相關聯，通過測得半導體電阻變化就可以知道對應的甲烷的多少。

四、什么材料適合用于半導體氣體傳感器？

1、原料易獲得；

2、在較低溫度下對氧氣和目標氣體有很好的吸附能力，二者有很好的化學反應能力，并在該溫度下對反應產物有較好的脫附能力；

3、與其他輔助材料成型后有較好的相容性、化學穩定性、并有適合的微缺陷電導率等。

符合這種條件的常見材料二氧化錫、氧化鎢、氧化銦、偏錫酸鋅等。

五、半導體氣體傳感器的未來前景

在眾多的氣體傳感器門類中，半導體傳感器是非常具有發展前景的氣體傳感器。原因就在于其工作原理、傳感過程簡單，即氣體信息只需一個步驟就可以變為電信號；其次便是傳感載體穩定；再者造價較為便宜。以上特點不僅為其進化提供了清楚的路徑和空間，也為未來的大規模布設提供了經濟上的可行性。