气敏传感器61633

烧结型SnO2气体传感器是用粒度在1 μ m以下的SnO2粉末， 加入少量Pd或Pt等触媒剂及添加剂， 经研磨后使其均匀混合， 然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内， 再埋入加热丝及电 极， 经600～800℃数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯 体， 将其引线焊接在管座上， 并罩上不锈钢网制成。 按加热 方式分为直热式和间热式两种, 其结构与符号如图3所示。
正是由于吸附的气体分子从材料表面得到或者给 予电子，使表面层的阻值发生了改变，我们分别考虑 以下两种情况：
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器 件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现空间电荷区。 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。
半导体气敏传感器
非电阻控制型
二极管式气敏传感器 MOS二极管式气敏传感器 Pd-MOSFET气敏传感器
图1：半导体式气敏传感器的分类
气敏传感器的性能要求：
对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等
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2： N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
1.4 表面电阻控制型气体传感器的结构
1）
表面控制型气体传感器有三种结构类型：烧结型、薄膜型 及厚膜型。其中，烧结型最为成熟，薄膜型及厚膜型特性一致 性较差。这里仅介绍烧结型。
1.3 半导体式气敏传感器的工作原理
半导体式气敏传感器：
–利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度
半导体式气敏传感器可分为：
–电阻式 –非电阻式
表面电阻控制型气敏传感器的工作原理
㈠表面电导理论
表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体 种类及浓度的不同增大或减小。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）。吸附分子和材料表面 层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子， 同时影响半导体材料表面层的性质。
（6）初期稳定时间 一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将
下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏 元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳 定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时 间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元 件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。
RC1
RC2
RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值：
RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。
（c）输出电压比灵敏度KV
KV
Va Vg
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
（3）气敏元件的分辨率
元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在
(103～105)Ω 范围。
测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于经
济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即 使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测 定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环 境中进行测量。
气敏传感器
1.1 概述 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，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，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。
电阻控制型
表面电阻控制型 体电阻控制型
表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气 体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为
S Vg Vg Va Vgi Vgi Va
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压 Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压
（4）气敏元件的响应时间
表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气 敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的 阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为 气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。
（5）气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一 般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复 到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。
因此，当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上， 还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)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。
规则总结：
氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加
（2）气敏元件的灵敏度
是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏 感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度 之间的依从关系。表示方法有三种
（a）电阻比灵敏度K
K Ra Rg
Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值
（b）气体分离度
1.2 半导体气敏元件的特性参数
气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当 被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率) 发生变化。
根据半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。 在此只介绍电阻型。
（1）气敏元件的电阻值
将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏