半导体气体传感器工作原理(半导体气体传感器的原理)

海潮机械 2023-01-03 17:41 编辑:admin 297阅读

1. 半导体气体传感器的原理

气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测,测量该气体在传感器附近是否存在,或在传感器附近空气中的含量。因此,在安全系统中,气体传感器通常都是不可或缺的。这些传感器可以为安全系统提供可燃、易燃和有毒气体的信息,以及区域内氧气的消耗,二氧化碳的比例。

常见的气体传感器包括电化学气体传感器,催化燃烧气体传感器,半导体气体传感器,红外气体传感器等。不同类型的传感器由于原理和结构不同,性能、使用方法、适用气体、适用场合也不尽相同

2. 半导体气体传感器的原理图

答:半导体气体是指半导体工业用的气体统称电子气体。

按其门类可分为纯气,高纯气和半导体特殊材料气体三大类。特殊材料气体主要用于外延,掺杂和蚀刻工艺;高纯气体主要用作稀释气和运载气。

1.常用半导体气体的分类

a.腐蚀性/毒性:HCl 、BF3、 WF6、HBr、SiH2Cl2、NH3、 PH3、Cl2、 BCl3等。b.可燃性:H2、CH4、SiH4、PH3、AsH3、SiH2Cl2、B2H6、CH2F2、CH3F、CO等。c.助燃性:O2、Cl2、N2O、NF3等。4.惰性:N2、CF4、C2F6、C4F8、SF6、CO2、Ne、Kr、He等。

2.半导体常见气体的用途

a.硅烷(SiH4):有毒。硅烷在半导体工业中主要用于制作高纯多晶硅、通过气相淀积制作二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、多晶硅隔离层、多晶硅欧姆接触层和异质或同质硅外延生长原料、以及离子注入源和激光介质等,还可用于制作太阳能电池、光导纤维和光电传感器等。

b.锗烷(GeH4):剧毒。金属锗是一种良好的半导体材料,锗烷在电子工业中。主要用于化学气相淀积,形成各种不同的硅锗合金用于电子元器件的制造。

c.磷烷(PH3):剧毒。主要用于硅烷外延的掺杂剂,磷扩散的杂质源。同时也用于多晶硅化学气相淀积、外延GaP材料、离子注入工艺、化合物半导体的MOCVD工艺、磷硅玻璃(PSG) 钝化膜制备等工艺中。

d.砷烷(AsH3):剧毒。主要用于外延和离子注入工艺中的n型掺杂剂。

e.氢化锑(SbH3):剧毒。用作制造n型硅半导体时的气相掺杂剂。

f.乙硼烷(B2H6):窒息臭味的剧毒气体。硼烷是气态杂质源、离子注入和硼掺杂氧化扩散的掺杂剂,它也曾作为高能燃料用于火箭和导弹的燃料。

g.三氟化硼(BF3):有毒,极强刺激性。主要用作P型掺杂剂、离子注入源和等离子刻蚀气体。

h.三氟化氮(NF3):毒性较强。主要用于化学气相淀积(CVD) 装置的清洗。三氟化氮可以单独或与其它气体组合,用作等离子体工艺的蚀刻气体,例如, NF3、NF3/Ar、NF3/He用于硅化合物MoSi2的蚀刻; NF3/CC14、 NF3/HC1既用于MoSi2的蚀刻,也用于NbSi2的蚀刻。

3.半导体工业常用的混合气体

a.外延(生长)混合气:在半导体工业中,在仔细选择的衬底上选用化学气相淀积的方法,生长一层或多层材料所用的气体叫作外延气体。常用的硅外延气体有二氯二氢硅、四氯化硅和硅烷等。主要用于外延硅淀积、氧化硅膜淀积、氮化硅膜淀积,太阳能电池和其它光感受器的非晶硅膜淀积等。外延是一种单晶材料淀积并生长在衬底表面上的过程。

b.化学气相淀积(CVD)用混合气:CVD是利用挥发性化合物,通过气相化学反应淀积某种单质和化合物的一种方法,即应用气相化学反应的一种成膜方法。依据成膜种类,使用的化学气相淀积(CVD)气体也不同。

c.掺杂混合气:在半导体器件和集成电路制造中,将某些杂质掺入半导体材料内,使材料具有所需要的导电类型和一定的电阻率,以制造电阻、PN结、埋层等。掺杂工艺所用的气体称为掺杂气体。主要包括砷烷、磷烷、三氟化磷、五氟化磷、三氟化砷、五氟化砷、三氟化硼、乙硼烷等。通常将掺杂源与运载气体(如氩气和氮气)在源柜中混合,混合后气流连续注入扩散炉内并环绕晶片四周,在晶片表面沉积上掺杂剂,进而与硅反应生成掺杂金属而徙动进入硅。

d.蚀刻混合气:蚀刻就是将基片上无光刻胶掩蔽的加工表面(如金属膜、氧化硅膜等)蚀刻掉,而使有光刻胶掩蔽的区域保存下来,以便在基片表面上获得所需要的成像图形。蚀刻方法有湿法化学蚀刻和干法化学蚀刻。干法化学蚀刻所用气体称为蚀刻气体。蚀刻气体通常多为氟化物气体(卤化物类),例如四氟化碳、三氟化氮、三氟甲烷、六氟乙烷、全氟丙烷等。

4.半导体气体管道控制系统

半导体气体很多是对人体有害。特别是其中有些气体如SiH4的自燃性,只要一泄漏就会与空气中的氧气起剧烈反应,开始燃烧;还有AsH3的剧毒性,任何些微的泄漏都可能造成人员生命的危害,也就是因为这些显而易见的危险,所以对于系统设计安全性的要求就特别高。

a.大规模供气系统

大规模供气系统主要针对大规模量产的8-12英寸(1英寸=25.4毫米) 超大规模集成电路厂,100MW以上的太阳能电池生产线,发光二极管的磊晶工序线、5代以上液晶显示器工厂、光纤、硅材料外延生产线等行业。它们的投资规模巨大,采用最先进的工艺制程设备,用气需求量大,对稳定和不间断供应、纯度控制和安全生产提出最严格的要求。

b.常规供气系统

常规供气系统主要应用于4-6英寸 大规模集成电路厂,50MW以下的太阳能电池生产线,发光二极管的芯片工序线以及其它用气量中等规模的电子行业。它们的投资规模中等,生产线可能是二手设备,对气体纯度控制的要求不苛刻,系统配备在满足安全的前提下尽量简单,节省投资。

c.简单供气系统

简单供气系统主要针对4英寸及以下半导体芯片厂、半导体材料的科研机构等。它们的制程简单,通常不需要连续性供气,对气体供应系统的投资预算低,生产和管理人员欠缺安全意识。

5.半导体气体传感器

半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器,是最常见的气体传感器,广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置,适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。在一定的温度条件下,被测气体到达半导体敏感材料表面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻发生变化,其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系,通过测量电阻的变化即可测得气体浓度。单支半导体气体传感器通过选择性催化、物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。大规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确识别。

6.半导体工业中特种气体的应用

特种气体是光电子、微电子等领域,特别是超大规模集成电路、液晶显示器件、非晶硅薄膜太阳能电池、半导体发光器件和半导体材料制造过程不可缺少的基硅性支撑源材料。它的纯度和洁净度直接影响到光电子、微电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率,并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性。

3. 半导体气体传感器的工作原理是什么效应

工作原理

MQ-3属于表面电阻控制型酒精气体浓度气敏传感器,其敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2(二氧化锡)。当N型半导体的表面,在高温下遇到离解能力较小(易失去电子)的还原性气体时,气体分子中的电子将向MQ3气敏电阻表面转移,使气敏电阻中的自由电子浓度增加,电阻率降低,电阻减小。半导体式传感器是利用一些金属氧化物半导体材料,在一定温度下,电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的,MQ-3酒精传感器就是其中一种,它是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时,电阻会急剧减小的原理制造的。

4. 半导体式气体传感器

气体传感器是一种检测装置,能感受到被检测气体的信息,并能将检测到的信息按照一定的规律变换成电信号或者其他所需形式的信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等的要求。

  气体传感器是实现自动检测和自动控制的重要组件之一。

  常用的气体传感器有催化燃烧式气体传感器、金属过氧化物半导体式气体传感器、电化学式气体传感器、红外吸收式气体传感器以及光离子气体传感器。

  通常,催化燃烧式气体传感器和半导体式气体传感器多用于可燃气体探测器,如圣凯安SKA/NE-301、SKA/NE-502系列可燃气体探测器;而电化学式气体传感器、红外吸收式气体传感器以及光离子气体传感器多用于有毒气体探测器,如圣凯安SKA/NE-PL系列有毒气体探测器。

  光离子化气体传感器(简称PID)是基于光离子化技术的高灵敏度、用途广泛的气体检测器,可以检测极低浓度的10ppb到较高浓度10000ppm的挥发性有机化合物,相比传统检测方法具有便携式、体积小、精度高、高分辨、响应快、实时性、安全性高、可连续测试等优点,

5. 半导体气体传感器的原理和作用

1.气体传感器,是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面,气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否,或氧气的消耗量等。

2.气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测,测量该气体在传感器附近是否存在,或在传感器附近空气中的含量。从工作原理、特性分析到测量技术,从所用材料到制造工艺,从检测对象到应用领域,都可以构成独立的分类标准,衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系,尤其在分类标准的问题上目前还没有统一,要对其进行严格的系统分类难度颇大。

3.气体传感器的分类:从检测气体种类上,通常分为可燃气体传感器(常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式)、有毒气体传感器(一般采用电化学、金属半导 体、光离子化、火焰离子化式)、有害气体传感器(常采用红外、紫外等)、氧气(常采用顺磁式、氧化锆式)等其它类传感器。

6. 半导体气体传感器工作原理图

传感器原理

利用半导体性质易受外界条件影响这一特性制成的传感器。

根据检出对象,半导体传感器可分为物理传感器(检出对象为光、温度、磁、压力、湿度等)、化学传感器(检出对象为气体分子、离子、有机分子等)、生物传感器(检出对象为生物化学物质)。

7. 半导体气体传感器的原理是什么

气敏传感器的种类较多,主要包括敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器,以及检测气体成分的气体成分传感器。前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器,后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。其中半导体气敏传感器大体上可以分为电阻式和非电阻式两类。

电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料,如氧化锡(SnQ2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件,当它们吸收了可然气体的烟雾,如氢、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然气等时,会发生还原反应,放出热量,使元件温度相应增高,电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性,将气体的成分和浓度变换成电信号,进行监测和报警。