气敏元件的气敏特性影响因素分析

气敏元件的气敏特性影响因素分析

孟一舟

桂林电子科技大学，广西 桂林，541004

摘  要：在确定金属氧化物半导体气敏元件的制备工艺参数时，要想达到最优化，必须考虑制备手段、方法、流程等工艺对材料的干扰因素。通过对不同掺杂浓度、不同退火温度的样品气敏性能测试结果进行归纳，研究敏元件在不同气体的选择性与灵敏度、响应恢复时间，以及改变气体浓度、改变工作温度、改变工艺参数时对气敏性能影响等方面的探讨，确定出气敏性能的规律性变化。

关键词：气敏特性；气体浓度；退火温度；响应-恢复时间

1 引言

对于金属氧化物半导体气敏元件而言，其在大多数还原性气体的条件下，因其气体敏感机理的缘故，都会有灵敏的响应。本文基于ZnO进行探讨，其在常温下的禁带宽度为3.4eV，激子结合能为60meV，电子迁移率大于100cm2/Vs，是一种常见的宽禁带、较大激子结合能、较高电子迁移率的N型金属氧化物半导体。采用水热法制备不同Co掺杂量、不同退火温度的纳米ZnO材料过程中，在确定Co-ZnO 纳米材料的制备工艺参数时，要想达到最优化，必须考虑制备手段、方法、流程等工艺对材料的干扰因素。通过对不同掺杂浓度、不同退火温度的样品气敏性能测试结果进行归纳，讨论样品对不同气体的选择性与灵敏度、响应恢复时间，以及改变气体浓度、改变工作温度、改变工艺参数对气敏性能的影响，从而确定出气敏性能的规律性变化。

2  选择性和响应-恢复时间

选择性是衡量气敏元件性能优劣的重要因素。根据气敏测试系统的原理，随着Vout值的变大，气敏元件的灵敏度也就越高，因此气敏元件的灵敏度可以用Vout进行间接的反映。因此，不但气敏元件的响应恢复时间能用响应恢复特性曲线呈现出来，其在气体中的灵敏度也能通过响应恢复特性曲线呈现出来。测量Co-ZnO基气敏元件选择性的过程中，在5wt.%浓度掺杂600℃退火温度的样品上，通入丙酮、甲苯、甲醛、乙醇、甲醇的饱和气体，处于4.5V工作电压下运行，用来检测不同气体条件下的样品气敏特性，结果如图1所示。之后选用掺杂浓度7.0wt.%、700℃退火、掺Co的ZnO粉末，选定4.5V的工作电压，在饱和的丙酮、甲醇、甲醛、甲苯、乙醇气体条件下开展测试，然后观察Co-ZnO对各种气体的响应和恢复时间，如图2所示。

图1  5wt.%掺杂600℃退火的Co-ZnO响应-恢复曲线图

从图1中可以看出，在多种被测量气体之中，对丙酮的灵敏度呈现的尤为明显，其数值达到了53，在与其他气体比较之后发现，其具有一定程度的选择性。同时，在响应时间方面，Co-ZnO的响应速度一直处于较高水平。在恢复时间方面，丙酮与其他气体相比较，其恢复时间略低。

图2  7wt.%掺杂700℃退火的Co-ZnO响应-恢复曲线图

通过图2可以发现，Co-ZnO样品对于不同种类的气体都有很快的响应速度，但是恢复速度都比较慢，大概在10s以上，其中甲醛和乙醇的恢复速度最慢，达到了25s，并且所有的测试气体都恢复不到初始的响应值。

3  气敏特性受工作温度影响

工作温度会对ZnO基气敏元件灵敏特性产生重要影响，究其原因主要在于：不仅半导体能带结构受温度干扰，而且温度还能影响半导体载流子的数量。不仅如此，它还对气敏元件上待测气体的吸附和解吸附进行干扰。选择在600℃退火的5.0wt.%样品，分别在3.5V、4.5V、5.5V工作电压下，对丙酮、甲苯、甲醛、乙醇、甲醇的饱和气体的灵敏度进行测试，得到选择性与工作温度的折线图，见图3。

图3  Co-ZnO对不同气体的灵敏度与工作电压关系曲线

先将7wt.%样品在600℃温度下进行退火，然后放在各种工作电压下，比如：3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6V，以检测其对1000ppm丙酮气体的灵敏度，灵敏度折线见图4。

图4  Co-ZnO对丙酮的灵敏度与工作电压关系曲线

由实验结果可以看出，选择性与温度有一定的关系，从图中可以看出其在加热电压为4.5V、工作温度为65℃时对丙酮选择性最好。换言之，在工作温度65℃的条件下，Co-ZnO气敏元件对丙酮呈现较高的选择性。

不仅如此，灵敏度和温度之间也有一定的关联。随着温度的升高，气敏元件的灵敏度先增大再减小。当加热电压是4.5v，工作温度是65℃的时候，灵敏度是25，呈现最高点。之所以会出现上述关联，是因为在低温条件下，如果温度升高，将导致导带载流子增多，从而加剧反应；但是高温条件下，随着温度的逐步提高，将使气敏元件的氧气吸收减少，从而使减少了还原气体和阴离子之间的反应，导致灵敏度反而会有所下降。

4  气体浓度对气敏特性的影响

使用7wt.%掺杂浓度的样品，将其放置在600℃温度、4.5V加热电压的工作条件下，分别通入100ppm、200ppm、500ppm、1000ppm浓度丙酮后，其测定的响应恢复曲线，见图5。

图5  丙酮气体浓度不同情况下的Co-ZnO响应-恢复曲线

从图5可知，随着增加丙酮气体的浓度，气敏元件的灵敏度也随之增加。在丙酮气体浓度较低的条件下，它的灵敏度较高，响应恢复时间较快。在200ppm浓度较低的丙酮蒸汽情况下，响应时间能够达到3s，恢复时间能够达到6s。由此可见，Co-ZnO气敏元件具有灵敏度高的特点。同时，Co-ZnO基元件在丙酮气体浓度较高的情况下，能够显示一定的线性特性。

5  退火温度对气敏特性的影响

退火工艺能够对样品质量有显著的提高，该工艺促使晶粒尺寸缩小，有效清除组织内的缺陷，同时退火工艺还能够消除残余应力。分别在500℃、700℃、900℃退火2h的条件下，制备出7wt.%掺杂浓度的Co-ZnO气敏样品，然后在4.5V的加热电压条件下分别通入丙酮、乙醇、甲醇、甲醛和甲苯进行测试（测试气体均为饱和浓度），其实验结果如图6所示。

图6  Co-ZnO的工艺参数和灵敏度关系图

根据图6可知，对于7wt.%掺杂浓度的Co-ZnO样品而言，在700℃温度下退火2h的条件下，其灵敏度达到最高。分析得知：如果处于退火温度过低的条件下，那么对于样品，其晶格修复的就不够充分，这样会使其表面致密，从而导致灵敏度变低；如果处于温度过高的条件下，则会引起样品晶格聚集的现象，从而会使其表面积降低，反应速率变慢，灵敏度也相应变低。

6 结论

通过对5wt.%和7wt.%两种不同掺杂浓度、不同退火温度的样品进行敏感特性测试，讨论了气敏元件对不同气体的选择性与灵敏度、响应-恢复时间以及改变气体浓度、改变工作温度、改变工艺参数对气敏性能的影响，从而确定了气敏性能变化的规律。可以看出，Co-ZnO基半导体气敏元件对丙酮的灵敏度最高，说明其对丙酮具有较高程度的选择性。65℃为最佳的工作温度，700℃退火温度为最佳工艺参数，随着丙酮蒸汽的浓度不断变高，它的灵敏度也随之增强，同时在低浓度丙酮条件下气敏性能也比较好。

参考文献：

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