气体传感器1_基线漂移与零点漂移

简介

    气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人和机器读懂的信息装置。目前的气体传感器被归为化学传感器一类，有欠妥当，常用的包括有：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等类型。

主要性能

我们关心的传感器主要性能主要有三个：稳定性、灵敏度、可靠性；在应用场合下，还比较care器件的功耗和体积。

气体传感器的稳定性，主要取决于零点漂移和区间漂移/基线漂移。

零点漂移：输入为零输出偏离零值的变化，在气体传感器中指在没有目标气体存在的整个工作时间内传感器输出变化。

根据导致零点漂移的原因，主要有温度漂移和时间漂移，随环境温度的变化输出不保持恒定的无规则地变化这种现象可称之为温漂。随着使用或存储的时间增加，系统在老化，内部的结构特征或性质发生变化，从而产生漂移可称之为时漂。

因为漂移的存在，气体传感器在使用一段时间后零点需要重新标定，而气体传感器的零点标定比较困难，一般需要用标准气体进行校准，要求较苛刻代价较高。

区间漂移/基线漂移：传感器置于固定的目标气体环境中的输出变化；理想的传感器，连续工作下每年的零点漂移≤±10%（F.S）。（FS指满量程）

灵敏度，指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值，依赖于所传感器所使用的技术类型。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。在选择气体传感器时，一般还要考虑检测门限（气体传感器的TLV和LEL）、线性度、温湿度影响。

在气体传感器中还需要关注选择性，即交叉灵敏度。因为检测原理的限制，引起传感器响应的可能是多种类型的气体，所以需要传感器对气体有足够的识别筛选能力，这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

而传感器精度指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比，是衡量测量值与真值的最大差异，在气体传感器使用中弱化了真值的价值，所以一般不考虑精度问题。分辨率指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力，与传感器的类型及品型号相关，也是一个重要的指标。

可靠性主要包括抗腐蚀性，因为气体传感器一般暴露于高体积分数的各类目标气体中，在这些特殊气体大量泄漏时传感器探头能够承受的极限，一般的探头应能够承受期望气体体积分数在10-20倍。在返回到正常工作条件下，传感器的漂移应尽可能小。

半导体气体传感器

半导体气体传感器在气体传感器中约占到了60%，根据其机理分为电导型和非电导型，其中电导型中又分为表面型和容积控制型。

    表面型气敏元件是根据相应气体在材料表面发生的载流子复合迁移（可以理解为半导体材料的掺杂），导致材料表面的导电性能改变，其直观变化就是电阻/电导。响应于氧化气体的n型以及响应于还原气体的p型。

    SnO2半导体是较典型的表面型气敏半导体材料，当施加电压时，被吸附在SnO2材料表面的气体接受了SnO2的氧而被还原，使材料表面的电导增大，电导的变化反映出还原性气体浓度的量。所以在以Pt为催化材料的SnO2气体传感器可用于检测可燃性气体CO、H2、CH4。

    NiO/ZnO/ AgO为p型半导体，同上的过程中会得到氧而使电导下降，所以对O2、O3等氧化性气体敏感。

容积控制型材料的是由于晶格的缺陷导致电导变化，晶体材料中进入了一些杂质会导致晶体物理性质的改变，一些的气体可以进入到晶格间隙中（类比于溶解过程，固溶概念）破坏原有的晶体排列而改变了晶体的电学性质。

    这一类常用的材料如Fe2O8、TiO2，如TiO2晶体易吸附氢离子形成羟基产生氧空位，故对可燃性气体（有机气体）敏感，其中主要包括液化石油气、酒精等。这类进入的气体分子与预吸附的氧气、羟基或水分子反应，导致氧化气体如NO2和O3的电阻增加以及还原气体如H2、H2S、CH4、NH3、CO和NO的电阻减少。电导的变化通常与进料中检测的气体的浓度成比例。灵敏度还取决于该氧化物材料及其多孔微结构的电子性质。

    热线性传感器，是利用导热率随自由电子浓度变化的一种半导体传感器，又称热线性半导体传感器。通过在Pt丝线圈上涂敷SnO2层，Pt丝起加热作用，同时用于检测电阻变化。

    在Pt丝施加电压后半导体发热，材料表面吸附的氧使材料表面的自由电子浓度下降，当存在可燃性气体时，可燃性气体反应消耗掉氧，使自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率随之增高，使Pt丝温度下降，阻值减小，Pt丝阻值变化与气体浓度为线性关系。

    这类氧化物气体传感器需要较高的操作温度的第一原因在于传感器响应和恢复都需要的表面氧化和还原反应在温度低于200℃时太慢。达到较高的选择性的典型温度在300℃和600℃之间。在此较高的温度下，某些进料气体分子，比如氧气、甲烷、一氧化碳或硫化氢可以被存在于金属氧化物膜表面的氧类化学还原。

    需要较高的操作温度的第二原因在于金属氧化物表面吸收的水分会抑制了传感器分析物气体反应，因此必须在100℃（水的沸点）以上操作温度下去除水分。吸附的水分子在高温下的脱附由此可进一步提高灵敏度。

    而这些高温加热操作的后果是传感器必须具有加热单元用以提供所需的温度，因此设备的功耗非常高。常见的MQ系列大都采用这种方案。

上述的气体传感器都是基于多晶或过渡金属氧化物半导体两种类型，而非电导型的FET（场效应晶体管）气体传感器，则是基于硅集成电路的制造工艺开发的独特的紧凑型气体传感器，这类传感器感知层为形成在硅衬底上作为栅电极的过渡金属氧化物、稀土金属氧化物或金属纳米粒子的超薄气体敏感薄膜。

现代集成电路工艺中FET栅电极材料一般是金属铝，而作为传感器FET栅电极的是对被测不同气体敏感的钯、铱、碘化钾等材料。

传感器栅电极感知层通过在其上吸附的化学物质的来控制功函数，当栅电极暴露在被测气体中其表面吸附气体，进而引起硅沟道的表面电位变化（FET阈值电压变化），通过获取这种变化就可反映被测气体的浓度。选择不同的气体敏感层材料就能对不同的气体进行识别。如当栅电极材料为钯时，对氢很灵敏；为铂、铱时对含氢的化合物如NH3、H2S和乙醇等很敏感；当栅电极材料为碘化钾时，可用于检测臭氧 。

FET场效应晶体管气体传感器体积小便于集成化，其可在室温下操作，功耗小，较高的灵敏度和选择性，是最具有发展前景的气体传感器之一。（该类传感器也被归为MEMS气体传感器类）