第14章气体传感器

半 导 体 0.5 mm 电 极
3 mm
0.6 mm
加热器
玻 璃 (尺 寸 约1 mm ， 也 有 全为 半 导 体的 )
(a)
图14-2 (a) 烧结型气敏器件；
加热器 电极 3 mm
绝 缘 基片
(b)
(b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
0.5 33
(单 位 : mm )
氧 化 物半 导 体 Pt电 极 氧 化 铝基 片
器 件 电 阻 / k
10 0
稳 定状 器件加热 态
响 应 时 间 约 1 min 以 内 氧 化型
50
5
还 原型
加 热开 关
2 mi n 4 min 大 气中
吸 气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
14.1.3 1. 电阻型半导体气敏传感器
电 极 (铂 丝 ) 氧 化 物半 导 体
半导体气敏元件的应用特性
log R = m log C + n
实用酒精测试仪
＋ 5V 1 3
2
4
6
R1 1.8 k
5
TG S—81 2
RP 20 k
R3 2.7 k
R4 3.9 k
9
3
6
源自文库
10
7
11
12
13 8
14
5
A
15
16
17
18
1
4
2
VD10 红色
VD6 VD5
绿色 VD1
MQ-3 半导体气体传感器
电化学法：电解质 光学方法：红外气体传感器 电气：热传导；接触燃烧法；半导体 其它：离子烟雾
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或 深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，前者半导体 表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导 率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气 体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。
第14章气敏传感器
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14.1.1 概述
14.1 气 敏 传 感 器
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。 由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所 有类别的气体，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导 体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。
电化学气体传感器
催化燃烧式气敏元件
原理：高温－遇可燃气体－升温－电阻增加
热线型气体传感器
MR511型气敏元件通过气体吸附在金 属氧化物半导体表面而产生热传导变 化及电传导变化的原理，由白金线圈 电阻值变化测定气体浓度。MR511由 检测元件和补偿元件配对组成电桥的 两个臂，遇可燃性气体时检测元件电 阻减小，桥路输出电压变化，该电压 变化随气体浓度增大而成比例增大， 补偿元件起参比及温度补偿作用。具 有灵敏度高、重复性好、功耗低、抗 烟雾、乙醇蒸气干扰能力优良等特点。
7
器 件 加热 用 的 加 热 器(印 制 厚 膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型器件
由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热
式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图14-3所
示。
Sn O2烧 结 体
3 4
13
13
1 Ir—P d合 金 丝
2
(加 热 器 兼 电 极 )
24
24
回路电压、加热电压、负载电阻、加热 电阻 、加热功耗 对乙醇蒸气有很高的灵敏度和良好的选 择性 / 快速的响应恢复特性 / 长期的寿 命和可靠的稳定性 / 简单的驱动回路
红外线分析器
其光学系统由光源、气室和检测器三部分组成。 电气系统由前置级放大器、主放大器和温控及供电三 部分组成。 工作原理为：光源部件将连续的红外辐射交替地通过 气室的分析边和参比边，最后被检测器接收。当分析 室通入参比气时，则检测器交替接受的参比边和分析 边红外辐射能量相等，仪器的输出信号为零。当分析 室通以待测组份时，检测器所接收的参比信号不变， 而分析信号由于分析室中待测组份的吸收而发生变化， 于是便产生一个与待测组份浓度成比例的输出信号， 该微小的电信号通过放大器和滤波等环节变成与待测 组份浓度成比例的直流量信号。
(a) (b)
图 14-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
旁热式气敏器件的结构及符号如图14-4所示
引线 引线 电极
加热丝
测量
电极
电极
绝 缘 瓷 管 Sn O2烧 结 体
加热丝
(a)
(b)
图 14-4 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号
加热丝
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用 MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管 (MOSFET) 的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由 于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定 且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。
(1) MOS二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程是 在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100 nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄 膜，作为栅电极，如图14-5(a)所示。
M(P d)
Si O2 P—Si
C
Ca Cs
a b
O V
(a)
(b)
(c)
图 14-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
14.1.4 气敏传感器应用
半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时 间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自 动测试等。
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型 半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还 原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上 时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图14-1表示了气体 接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的含 氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值 也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这 一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导 体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、 TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
家用可燃气体报警器
离子感烟报警组件
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电 阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来 检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它 参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测 被测气体的。
14.1.2 半导体气敏传感器的机理
半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反 应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定 状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在 表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一 部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导 体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现 电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气 体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解 能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正 离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称 为还原型气体或电子供给性气体。