传感器原理及应用 第9章

金属氧化物 加热电极 输出极
烧结型
目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200－300℃, SnO2气敏 半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、 丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制
成（厚度 0.1 μ m 以下）。上下为输出电极和加
注： (1) 检测不同气体，加热温度及添加物质不同， 目的是使传感器对不同气体有选择性。
三、气敏元件的基本测量电路 图中EH为加热电源, EC为测 量电源, 电阻中气敏电阻值的 变化引起电路中电流的变化, 输出电压（信号电压）由电 阻Ro上取出。 特别在低浓度 下灵敏度高, 而高浓度下趋于 稳定值。 因此, 常用来检查 可燃性气体泄漏并报警等。
表9.1 半导体气体传感器的分类
主要物理特性 传感器举例
氧化银、氧化锌
工作温度
室温450℃
电 阻 式
电 阻
表ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控制型
体控制型
典型被测气 体 可燃性气体
氧化钛、氧化 700℃以 钴、氧化镁、 上 氧化锡
酒精、 氧气、 可燃性 气体 硫醇 氢气、 一氧化 碳、酒 精 氢气、 硫化氢
非 电 阻 式
表面电位 二极管整流特性
制造工艺简单、成本低、功 耗小、可以在高电压回路下使 用；
热容量小，易受环境气流的 影响，测量回路与加热回路之 间没有隔离，相互影响。 内热式气敏器件结构
（5）旁热式 管芯增加了陶瓷管，管内放 加热丝，管外涂梳状金电极做 测量极，在金电极外涂SnO2 等气敏材料； 测量极与加热丝分离，加热 丝不与气敏材料接触，避免了 测量回路与加热回路之间的相 互影响，热容量大，不易受环 境气流的影响。
热电极，中间为加热器。 输出极 加热器 金属氧化物
薄膜型
加热电极
（3）厚膜型
将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆 料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。 灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜 气敏元件较好。
半导体氧化物 Pt电极 氧化铝基片 厚膜型 加热器
（4）内热式
加热丝和测量丝都直接埋在 基体材料内；
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. 1、结构与分类 由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。
双层 金属网 罩 气敏 元件 电极 引线
外套 封装 基痤 端子
图9.1 某气敏传感器的整体结构
（1） 烧结型
将元件的电极和加热器 均埋在金属氧化物气敏材 料中, 经加热成型后低温 烧结而成。
– 高分子气敏传感器等。
一、半导体气敏传感器
元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物，
作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反 应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特 性或表面电位变化。借此来检测特定气体的成分 或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出。 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（CO、 CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）。
表面控制型
氧化银 铂/硫化镉、 铂/氧化钛 铂栅MOS场 效应晶体管
室温
室温200℃
晶体管特性
150℃
电阻式半导体气敏传感器：
其电阻随着气体含量不同而变化; 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是一种用金属氧化物薄膜（例如SnO2、ZnO、 Fe2O3、TiO2等）制成的阻抗器件。
二、表面控制型电阻式半导体气敏传感器
气敏元件的基本测量电路
1、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V)， 其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。 否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气 敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。
2、辅助电路
在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性 (温度系数、湿度系数、初期稳定性等)。如： 采用温度补偿电路，以减少气敏元件的温度系数引起 的误差；
当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
100
元件电阻 元件加热 正常状态 吸附氧化性气体
50
元件阻值变化
吸附还原性气体
0
空气中 吸附气体后
时间
当吸附还原性气体时，N型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值 降低。
当吸附氧化性气体时，N型半导体的功函数小于吸附 分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负 离子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增 大. 对于P型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使 其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。
传感器原理及应用
第九章 气敏、湿敏传感器
概述
• 气敏传感器：检测气体浓度和成分，主要 用于环境保护和安全监督等方面。
• 湿敏传感器：检测湿度情况，广泛应用于 工业、农业、国防、科技和生活等各个领 域。
分类：
– – – – –
9.1 气敏传感器
通常以气敏特性来分类，主要可分为：
半导体型气敏传感器， 电化学型气敏传感器， 固体电解质气敏传感器， 接触燃烧式气敏传感器， 光化学型气敏传感器，
应用场合： 一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检 测和报警。 基本要求： 1、对被测气体有高的灵敏度。 2、气体选择性好。 3、能够长期稳定工作。
4、响应速度快。
分类：
按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还 是涉及到外部分为表面控制型和体控制型；
按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电 阻式。
旁热式气敏器件结构
注：加热器的作用
（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。
（2 ）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵
敏度及响应速度。
2、工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。