半导体氢传感器工作温度特性
2018-10-26刘丹峰周海燕
刘丹峰， 周海燕， 文 勇
(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999)
0 引 言
目前，用于氢气检测的传感器中半导体传感器属于电阻型传感器，由于具有敏感度高、易微型化、易阵列化的特点，可集成为微型、低功耗检测探头，在便携、在线检测等应用领域得到了广泛的应用。一般情况下，半导体传感器的工作温度在250 ℃以上才能保证测量的精度和响应时间，但在特定的使用环境中，过高的工作温度会带来安全隐患。
本文通过镀膜以及掺杂贵金属的方式有效地提高气敏材料SnO2在较低工作温度时对氢气的灵敏度，对新型的传感器在特殊的使用条件下(低湿、低氧)的工作温度特性进行了研究。
1 半导体氢传感器
1.1 工作机理
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时产生的电导率等物性的变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态，气敏材料表面会发生物理和化学吸、脱附：气敏材料吸附氧分子并从半导体表面获得电子而形成O-1和O-2等受主型表面能级，电阻值增加；氢气与气敏材料接触时，被氧原子捕获的电子重新回到半导体中，电阻值下降[1,2]。如图1所示。
图1 半导体传感器工作原理
1.2 气敏材料
针对气敏材料的工作温度、气体选择性等问题，国内外学者进行了大量的研究，目前以SnO2，WO3，ZnO为基底的材料体系表现出较好的气敏性能。
1.3 工作温度
气敏材料在不同温度表现出的吸附能力不同，以SnO2和ZnO为例，其吸附能力如图2所示[14]。从图中可以看出，氢传感器的性能与其工作温度密切相关，气敏材料在合适的工作温度下响应时间和精度都会有所提高。但为了保证使用过程中的安全性，传感器工作温度不宜过高，而较低的温度会影响传感器的测试精度，因此需要对氢传感器的工作温度特性进行详细地研究。
图2 2种气敏材料响应与温度的关系
2 气敏材料工作温度对响应精度的影响
2.1 实 验
2.1.1 氢传感器的选择
目前半导体氢传感器气敏材料使用最多的是SnO2，WO3以及ZnO，然而SnO2，WO3和ZnO三种基体材料对H2的气敏性能差异不大，氢敏性能都比较差；通过添加贵金属改性之后，SnO2表现出最好的灵敏度以及对氢气的选择性，工作温度响应范围也更低。因此，实验选取掺杂贵金属的SnO2为气敏材料的氢传感器作为研究对象。
2.1.2 实验系统搭建
为了模拟真实条件，实验设计了气体传感器环境考核装置。由于传感器在密封容器或包装容器内长期贮存，对其贮存容器密封性能要求很高。同时为了达到湿度的要求，还要对密封容器或包装容器用干燥氮气进行气体置换，使其压力维持在大气压，相对湿度低于10 %，氧气含量低于1 %。为了较好地模拟贮存实验的各种功能要求，设计的密封容器要实现充换气功能和传感器转接密封功能，设计的容器容积为2L。密封容器设计如图3所示。
图3 模拟密闭充氢环境的密封容器结构
在密封容器内通过传感器密封转接头，将氢气传感器、氧气传感器、压力传感器、温湿度传感器感应端放置在容器内部，变送器及电源放置在容器外面，实时测量容器内氧气含量、压力、温湿度。利用温度传感器测量并记录氢气传感器工作区温度。监测系统设计如图4所示。
图4 模拟密闭充氢环境监测系统结构
2.1.3 实验条件制定
根据真实使用情况，用纯氮气对容器进行气体置换，使其贮存环境处于低湿(低于10 % RH)、低氧(O2的体积分数低于1 %)、常压(90～100 kPa)状态，进行以氮气为背景气的温度特性实验。
选取80～150 ℃为参考工作温度，实验分析传感器在不同工作温度下对0.5 %，1 %，2 %浓度氢气的响应情况。
2.2 实验结果与分析
湿度、氧气浓度、压力满足条件的情况下，控制工作温度在80～150 ℃范围内变化，多次测量之后取平均值，测量结果如图5所示。
图5 3种氢气浓度下不同工作温度对应测量值
根据测量结果可以看出，氢传感器(量程0 %～2 %)需要的工作温度较低，最大误差达到500×10-6以上，测量精度相对于高工作温度的半导体氢传感器有一定差距，但可以满足3 %FS的指标。
在80～150 ℃的温度范围内，工作温度的升高会小幅度提升测量精度，相对于测量值和误差，几乎可以忽略。
3 气敏材料工作温度对响应时间的影响
3.1 实验
为了准确获得传感器响应时间，采用注气式气体标定系统，如图6所示。传感器预热之后进入稳定工作状态，将校准帽与传感器探头连接，记录传感器示数稳定所用的时间，即响应时间。
图6 注气标定系统结构
3.2 实验结果与分析
控制工作温度在80～150 ℃范围内变化，多次测量之后取平均值，测量结果如图7所示，可以看出，在80～150 ℃的温度范围内，工作温度的升高会大幅度提升传感器响应速度，减少响应时间。
图7 不同工作温度对应响应时间
4 结束语
以掺杂贵金属的SnO2为气敏材料的半导体氢传感器精度较低，但可以满足3 %FS的指标，工作温度的升高会小幅提升传感器测量精度，但效果不明显。随着工作温度的升高，半导体氢传感器响应时间会大幅度提升。
