6.1气敏传感器基本原理及测量电路.pptx
6.1气敏传感器基本原理及测量电路.
教学
设计
学习项目名称
气体传感器基本原理
本单元学时
1
学习指南
（1）气敏传感器的工作原理及典型应用。
（2）气敏传感器的选择
（3）具有分析典型气敏传感器测量电路的能力。
（4）具有电子元器件检测的能力。
项目教学
设计思想
介绍气敏传感器的工作原理及分类，介绍气敏传感器的测量电路。
教学方法与教学手段
基本知识的教学方法：讲述法、分组法、任务教学法、案例教学法
常规实训的教学方法：分组法、任务教学法、实践操作法、
拓展实训的教学方法：分组法、任务教学法、实践操作法
参阅资料
传感器电路制作与调试项目教程，王迪，电子工业出版社
校本教材，重庆电子工程职业学院。
《传感器应用电路400例》，王煜东，中国电力出版社，2008.8.
具体教学
实施计划
首先介绍气敏传感器的工作原理，分类，外形。通过讲解几种常用的气敏传感器的工作原理，使用方法，重点讲解酒精及可燃气体传感器的使用方法。教师制定实训任务，引导学生进行原理分析及方案设计，确定具体的参数指标。学生分析讨论传感器的应用范围、参数指标，进行传感器的选型，设计测量电路，进行电路参数的攒则，通过电路仿真软件进行电路功能的模拟，优化电路设计。通过实物的搭建学会气敏传感器产品的制作，安装使用方法等。
评价方式：教师评价、小组评价、自我评价
（4）、学生应具备的知识与能力
安全生产与文明生产常识、常用电子测量仪器使用能力、典型元器件识别能力、简单电路识别与分析能力。
（5）、对教师知识与能力的要求
熟悉压力检测原理、熟悉各类典型压力传感器及外围电路、具有娴熟的电路设计与调试能力、具有娴熟的教学组织与管理能力
气敏传感器ppt课件
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9-5(a)所示。
M(P d)
气敏传感器
提问：同学们都会知道哪些是有毒有害的气体呢？ 煤气、CO、甲烷、烟雾 是的，这些气体当达到一定浓度的时候都会危机到我们的生命。 2、那我们要如何预防有害气体对我们的生命安全造成的伤害呢？ 装个对这些有害气体敏感的报警器。这章要介绍的气敏传感器就是
这种报警器电路里一个很重要的器件。接下来我们就开始介绍气 敏传感器。
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
4 、半导体气敏传感器类型及结构
1. 电阻型半导体气敏传感器
电 极 (铂 丝 ) 氧 化 物半 导 体
Si O2 P—Si
C
Ca Cs
a b
O V
(a)
(b)
(c)
图 9-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
(2)MOS场效应晶体管气敏器件
MOSFET)的结构效应晶体管(PdD
Al
Si O2
N＋
N＋
P—Si
图 9-6 钯—MOS场效应晶体管的结构
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。
气敏传感器ppt分析
0.5 3 3
(单位 : mm)
氧化 物半导 体 Pt电极 氧化 铝基片
7 器件 加热用 的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
图9-2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (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 9-3 所 示。
表7-3 添加物对SnO2气敏效应的影响
添加物质 PdO,Pd Pd,Pt过渡金属 PdCI2 ，SbCI3 Sb2O3,TiO2TIO3 V2O5，Cu 稀土类 过渡金属 Sb2O3,Bi2O3
高岭土（陶土）， Bi2O3 WO
检测气体 CO，C3H8 酒精 CO，C3H8 CH4，C3H8, CO
2、常见气敏传感器的分类
3、半导体气敏传感器的机理
半导体式气敏传感器： 利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的电 导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的 成分或者浓度
材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体； 其中P型：如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。 N型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。 合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂 （Pt）、银（Ag）等。
V
图 9-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
(2)MOS场效应晶体管气敏器件 钯-MOS场效应晶体管(PdMOSFET)的结构， 参见图9-6。
S
Pd栅
D Al SiO2
N＋ P—Si
N＋
图 9-6 钯—MOS场效应晶体管的结构
5、气敏元件的基本特性
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。
气敏传感器的原理及应用
气敏传感器的原理及应用半导体气体传感器：半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。
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物体表面自由扩散，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吸附在物体表面。
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。
[1]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。
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氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。
当氧化型气体吸附到n型半导体，还原性气体吸附到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，半导体阻值下降。
非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。
它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。
由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。
利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
催化燃烧式传感器：可燃气体报警器的原理基本上都是催化燃烧式催化燃烧式气体传感器是采用惠斯通电桥原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理zui终显示可靠的数值。
电化学传感器：电化学传感器是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
气敏传感器工作原理
气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种用于检测气体浓度或气体特性的传感器。
它们基于气体与敏感材料之间相互作用的变化来实现气体检测。
下面是一般气敏传感器的工作原理：
敏感材料选择：根据需要检测的气体种类和特性，选择适合的敏感材料。
常用的敏感材料包括金属氧化物（如二氧化锡、二氧化钛）、半导体材料（如硅、锗）以及聚合物材料等。
基线电阻测量：在传感器未受到气体作用时，测量敏感材料的基线电阻值。
基线电阻是指在没有目标气体存在时的敏感材料的电阻值，它通常是一个稳定的参考值。
气体作用：当目标气体接触到敏感材料时，气体分子与敏感材料表面发生化学反应、吸附或吸收等作用，导致敏感材料的电学特性发生变化。
电学信号变化：敏感材料的电学特性的变化导致传感器输出电信号的变化。
这些变化可以是电阻、电容、电压或电流的变化，取决于传感器的工作原理和设计。
信号处理：传感器输出的电信号经过信号处理电路，如放大、滤波和线性化处理，以提取有效的气体浓度信息。
气体浓度检测：通过与预先建立的校准曲线或算法进行比较，将传感器输出的电信号转换为对应的气体浓度或指示气体特性
的数值。
气敏传感器利用敏感材料与目标气体之间的相互作用来实现气体检测，通过测量电学特性的变化来获得目标气体的相关信息。
不同类型的气敏传感器采用不同的敏感材料和工作原理，因此其具体的工作原理会有所不同。
气体传感器PPT演示文稿
烧结型
电极(铂丝) 氧化物半导体
加热 器 玻璃(尺寸 约1 mm，也有 全为
半导 体的 ) (a)
半导 体 0.5 mm 电极
厚膜型
3 mm
0.6 mm
(b)
a b
V (c)
Schottky二极管
通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层 无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金 属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。
9
2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.2 MOSFET型气敏器件
气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改 变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值 电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。
当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液 中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。
高浓度氧 O2
低浓度氧 O2
设电极的氧分压分别为PO2 (1)、PO2 (2) ，则
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
电路可以测出氢气浓度。
氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性
11
3 固体电解质气体传感器
固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，
气敏传感器公开课ppt教材
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
家庭用液化气 报警器
一氧化碳传感器
其他气体传感器
甲烷传感器
NH3传感器
二氧化碳浓度传感器
氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
汽车尾气分析
有毒气体传感器的使用
二、认识气敏传感器
1、气敏传感器的性能要求：
三、气体传感器的应用
气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化 石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方 面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上 用于对O2、CO2等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹 调装置、酒精浓度探测等方面。
(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。
(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 (SiO 2) 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9-5(a)所示。
M(Pd) C SiO2 Ca P—Si Cs O (a ) (b ) (c) b a
以质量浓度的单位（mg/m3）表示，中国的标准规范也都是采
用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。
什么是气敏传感器？
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，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。
气敏传感器检测应用-PPT课件
烧结成球状多孔体。将烧结后的小球 , 放在贵金属铂、钯
等的盐溶液中 , 充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处 理 , 使在氧化铝 ( 氧化铝一氧化硅 ) 载体上形成贵金属触媒
层,最后组装成气体敏感元件。
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
F2 D R1 M F1 C
W2 B
E0
R2
W1
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
R R R F F 1 1 E E 0 R R R R R F F F 1 2 1 2
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
2、接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路
A
F2
M
F1
D R1
C
W2
B
R2 W1
E0
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
F1 是检测元件， F2 是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体 接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的 偏差。
湖南铁道职业技术
E=k•m•b
丙烷 输 150 出 电 100 压 / mV 50 乙醇 异丁烷 丙酮 环己烷 0 0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
气体浓度(XLEL)
接触燃烧式气敏元件的感应特性
3、接触燃烧式气敏元件的结构
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设 用高纯的铂丝 , 绕制成线圈 , 为了使线圈具有适当的阻值 (1Ω～2Ω),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或 氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层 , 干燥后在一定温度下
气敏传感器电路图
第五章可燃性气体抠借电路町燃性气体检测报警装置广泛应用在国民经济的各个领域.同时在人们的日常生活中. 在保证家庭安全方面也起到了不可忽视的作用。
本章将对可燃性气体检测报警的基本知识及 i荃实用报警电路进行介绍。
第一节可燃性气体检测报警基本知识-x可燃性r体检测用传感器可燃性气体检测用传想赭乂称为气体传感器或气峨元件，主察用于工业中天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆.有毒、有害气体的呛滞，并进行自动控制及安全报警。
二、可燃性气体检测及报畫装■的便用1.气敏元件的安装可燃性气体粉测及报警装置中的主要器件为气救元件.它可以将某种气体浓度的变化转换为由信号并送井善由跌.閃曲.峠峪云件常1方46获口独韭张宜曹口右冷培一木3血出第二节燃气熄火报警电路一、燃气熄火报畫霍燃气灶的火焰如眾发生非正常的熄灭. 往往会形成可燃性气体犬量泄漏〉如未及时发现，将可能发生安全亭故，逍成不必要的拥失「燃气熄火报警器是一个燃气火焰檢测报警电路•如图5・1所示。
火焰检测传想器由光敏电Rt RL担任。
光敏电阻是由半导体材料制成的，当光敏电阻的受光面受到光照作用时.其电导率将发生变化。
无光照射，光戦电阻的阻値很大• 约在1 -100MQ之间.使得流过电路中的电流很小；当有光照射时，光敏电阻的阻值变小.一般在10kC以下。
由于光敏电阻RL与电位器Rh组成分压电路.当燃烧正常时.光敏电阻RL受火焰光线照射而呈现低阻值.它与RR的分压值通过R为半导体管VT|提供足够的旱极电流，使VT•侦和导適.VT,的你申帜輸出低由平.伸抿蜃理曲曲总IC・的伸能地©Jffillta"卜干低由单煤气熄火报警电路如图5・3所示。
恿火探测传想器为两根直径大J1 Imm的金属丝A、B. 亡们的问距为5mm3金处丝探头A、B放1tt在产生火焰的地方，在无火焰时它们足绝缘的. 但往高温F由于空气的电离，A. B间便可导电。
在煤气正常燃烧时.探头A、B间形成导体，Vh和VT2绍成的复合管导通• 1G的触发瑞呈低电平而不工作.其输出端无报警信号. 扬車器无报警声发出。
《气体传感器》PPT课件
器 件 电 阻 / k
电阻型气体传感器的主要特性参数：
1. 固有电阻R0和工作电阻RS
10 0
2. 灵敏度S S＝ RS / R0
50
3. 响应时间T1
4. 恢复时间T2
5
5. 加热电阻RH和加热功率PH
加 热开 关
电阻型气体传感器优缺点：
1. 成本低、制造简单、灵敏度高、响 应快、寿命长、对湿度敏感低、电 路简单。
结型气敏器件又称气敏二极管，是利用气体改变 二极管的整流特性。
将金属与半导体结合做成整流二 级管，其整流作用来源于金属和半导 体功函数的差异，随着功函数因吸附 气体而变化，其整流作用也随之变化
精选PPT
在常温下选择性地对硅烷 响应，灵敏度高。
8
2.2.1 结型气敏器件
MOS二级管气敏元件
利用MOS二极管的电容-电压特性的变化
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
4e
4e
+-
浓差电池原理
上述反应的电动势用能斯特方程表示：
ERlT n P O 2(1 ) 或 E ＝ 0 .04 Tl9n P O 6 2(1 )
nFP O 2(2 )
P O 2(2 )
应用实例见教材
工作原理：
SnO2和空气中电子亲和性大的气体 发生反应，形成吸附氧束缚晶体中的电
子，使器件处于高阻状态；
与被测气体接触，与吸附氧发生反应;
元件表面电导增加，电阻减小。
提高器件的选择性和灵敏度的措施：参
杂改善前者，设置合适的工作温度、改
进制备工艺可改善后者。
精选PPT
4
新型传感器原理及应用ppt课件
5.1 气敏、湿敏传感器
2) 正特性湿敏半导瓷的导电原理 正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不 同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导 致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空 穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导 瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
5.1 气敏、湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这 些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷， 最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半导瓷)。
1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2OV2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3
Fe3O4半导瓷正湿敏特性图
5.1 气敏、湿敏传感器
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸 附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降， 将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若 该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表 面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的 空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度， 出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以 在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型
气敏和湿敏传感器课件
当湿度变化时，传感器材料的介 电常数会发生变化，从而改变传 感器的电容值。
电阻式湿敏传感器的工作原理
原理：电阻式湿敏传感器通过测量电 阻值的变化来测量湿度。
当湿度变化时，传感器材料的电阻值 会发生变化，从而改变传感器的电阻 值。
湿敏传感器的应用场景
工业控制
在工业生产过程中，需要对环 境湿度进行精确控制，以确保
交叉学科合作
通过与其他学科如物理学、化学、生物学等进行合作研究，可以引入新的思想和理论，推动气敏和湿敏传感器技术的 创新发展。
应用场景拓展
针对不同应用场景开发定制化的气敏和湿敏传感器，以满足多样化的市场需求。例如，针对环保、医疗 、农业等领域的特殊需求，开发具有高精度、高稳定性的专用传感器。
06
气敏和湿敏传感器案例分析
THANKS
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工作原理
半导体型气敏传感器利用气体在半导体材料表面的吸附作用，引起半导体材料 电学性质的变化，从而输出电信号。
半导体材料
常见的半导体材料有SnO2、ZnO、TiO2等。
气敏传感器的应用场景
01
02
03
04
空气质量监测
用于监测室内外空气中的有害 气体，如CO、NOx、SO2等
。
环保监测
用于监测工业废气、汽车尾气 等有害气体排放。
法规限制
在一些应用领域，如环保监测、食品安全等，对气敏和湿敏传感器的精度和可靠性有很高 的要求。然而，由于技术限制和法规限制，一些高精度、高可靠性的传感器难以大规模生 产。
未来研究方向建议
新材料探索
为了提高气敏和湿敏传感器的性能，可以进一步探索新的敏感材料和制造工艺。例如，新型的纳米材料和生物材料有 可能为传感器技术带来突破性的进展。
气敏传感器的原理
气敏传感器的原理
红外线型气敏传感器是一种利用红外线光谱技术来检测气体成分的传感器。这种传感器通 常由红外光源、光探测器和过滤器组成。当红外光束通过目标气体时，不同气体分子会吸 收不同波长的红外光，导致光强减弱。通过测量不同波长的光强可以确定目标气体的成分 和浓度。红外线型气敏传感器具有高灵敏度、高选择性等优点，因此在环保、医疗等领域 得到广泛应用
以上是几种常见气敏传感器的原理，每种类型的气敏传感器都有其独特的特点和适用范围 。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的气敏传感器类型，以达到准确的检测效果
除了以上提到的几种常见气敏传感器原理，还有一些其 他类型的气敏传感器，例如红外线型气敏传感器、电容 型气敏传感器等。这些传感器各有其特点和应用场景， 下面简要介绍其中两种
气敏传感器的原理
光学型气敏传感器是一种通过测量气体对光信号的影响来检测气体浓度的传感器。这种传 感器通常由光源、光探测器和光学膜片组成。当光束通过光学膜片时，光束会受到目标气 体的吸收或散射作用，从而改变光强的分布。通过测量光强的变化可以确定目标气体的浓 度
半导体型气敏传感器
气敏传感器的原理
半导体型气敏传感器是一种利用半导体的物理特性来检测气体浓度的传感器。这种传感器 通常由一种半导体材料制成，当气体与半导体材料接触时，半导体的电阻值会发生变化。 通过测量电阻值的变化可以确定目标气体的浓度。半导体型气敏传感器具有灵敏度高、响 应时间短等优点，因此在许多领域得到广泛应用
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电容型气敏传感器
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气敏传感器的原理
电容型气敏传感器是一种利用电容原理来检测气体浓度的传感器。这 种传感器通常由两个平行电极和绝缘层组成。当目标气体与绝缘层接 触时，气体分子会吸附到绝缘层表面，导致电容值发生变化。通过测 量电容值的变化可以确定目标气体的浓度。电容型气敏传感器具有结 构简单、响应时间短等优点，因此在一些特殊领域得到应用，如检测 有毒有害气体等
气敏传感器及其工作原理
气敏传感器及其工作原理指导老师：雷家珩汇报者：周华汇报时间：2011.11.2目录•气敏传感器定义•气敏传感器分类•气敏传感器工作原理•气敏传感器的应用•气敏传感器研究现状与发展趋势•参考文献1 气敏传感器定义气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
2 气敏传感器分类半导体式气敏传感器气敏传感器绝缘体气敏传感器电化学气敏传感器光干涉式气敏传感器热传导式气敏传感器红外线吸收散式气敏传感器电阻型非电阻型接触燃烧式型电容式恒电位电解式伽伐尼电池式3 气敏传感器工作原理3.1 半导体气敏传感器工作原理●半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。
●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变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。
图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示●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,将使载流子减少,而使电阻增大。
气敏电阻传感器的原理及结构
气敏电阻传感器的原理及结构工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境小某些气体的成分、浓度。
例如．煤矿个瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸：家庭发生煤气泄漏时，会导致煤气中毒事件人则k塑料大棚小CQ浓度不足时，农作物将减产；锅炉和汽车发动机汽缸燃烧过程巾氧气含量不正确时，效率将降低，并造成环境污染使用气敏电阻传感器(以下简称气敏电阻)阻变化量．再转换成电流、电压信号。
一、气敏电阻的构成可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电气敏电阻的材料是金属氧化物，金属氧化物半导体分为塑型半导体(如sn()h、FqO。
等)和F型半导体(如Co()、Pb())等。
为厂提高某种气敏电阻对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成这些材料时．还掺人催化剂，如钮(N)、铂(P1)等。
二、气教电阻的原理及特性金属氧化物在常温下是绝缘体，制成半导体后却显示气敏特性，其机理是比较复杂的。
但是．这种气敏元件接触气体时，由于表面吸附气体，致使它的电阻率发生明显的变化却是肯定的。
这种对气体的吸附可分为物现吸附和化学吸附。
在常温下主要是物理吸附，是气体与气TI代理敏材料发面上分子的吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。
若气敏电阻温度升高，化学吸附就增加，并在粟一温度时达到最大使。
化学吸附是气体与气敏材料表面建支离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。
若气敏电cjmc%ddz阻的温度再升高。
ATMEL代理出于解吸作用，两种吸附同时减小。
例如，用氧化锡(sn 队)制成的气敏电阻，在常温下吸附某种气体后，其电阻率变化不大，表明此时是物理吸附。
若保持这种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在100一300℃电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用钽电容大。
气敏元件：工作时需要本身的温度比环境温度高很多。
为此，气敏元件在结构上要有加热器，通常用电阻丝加热，如图3所示。
氧叫：锡(SnQ)、氧化锌(Zn())材料气敏元件输出电压与温度的关系曲线如图所示。
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其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁 作用）。
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8. 气体检测使用注意事项
2）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电
测量转换电路
据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了
测量误差。
汽车尾气分析
二氧化钛氧浓度传感器可 用于汽车或燃烧炉排放气 体中的氧浓度测量。
观察右图看说明非线性特性对 浓度超限报警是否有利？
气敏半导体的灵敏度特性曲线
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8. 气体检测使用注意事项
1）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电
阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会 不同，需要进行温度补偿。
如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电 阻Rt 起温度补偿作用。
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8. 气体检测使用注意事项
• 温度补偿中实用的热敏电阻工作原理 • 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测
气敏传感器类型：
半导体气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 电化学气敏传感器
2.气敏传感器外形
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半导体气敏传感器应用最多。它的 应用主要有：一氧化碳气体的检测、 瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟 利昂的检测、呼气中乙醇的检测、 人体口腔口臭的检测等等。
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3. 半导体式气敏传感器的结构及工作原理
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4.电阻式气敏传感器的结构
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用 最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为 基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主 要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热 方式，分为直接加热式和旁热式两种。旁热式现在比较常用。
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谢谢观看
二氧化钛氧浓度传感器的工作原理：半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体， 对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较 大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
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TiO2氧浓度传感器结构
1－外壳（接地）2－安装螺栓 3－搭铁线 4－保护管 5—补偿电阻 6－陶瓷片 7－TiO2氧敏电阻 8－进气口 9－引脚
器 件 电 阻/ k
1 约 1 min以 内 氧化型
5
还原型
加热开关
2 min 4 min 大气中
吸气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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P型半导体吸附气体时器件阻值变化图
气敏传感器检测时阻值变化规律
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
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6.基本测量电路
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(a)QM－N5测量电路； (b)TGS812测量电路；
(c)TGS109测量电路
常用的气敏传感器 家庭用煤气报警器
甲烷传感器
家庭用液化气报警器
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NH3传感器
一氧化碳传感器
7.可燃气体检测实例
举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调试
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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
半导体式气敏传感器的分类
烧结型
电阻式
薄膜型
半导体式气敏 传感器
厚膜型 二极管气敏传感器
非电阻式 MOS二极管气敏传感器
Pd—MOSFET气敏传感器
TiO2传感器空燃比与电阻关系
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氧浓度传感器测量转换电路中，二氧
化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷
绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2
的阻值减小，Uo增大。
在测量转换电路中，与TiO2气敏电阻
串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。当环
境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐
TiO2氧浓度传感器 渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根
检测与传感器应用技术
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气敏传感器
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一
气敏传感器的基本 原理及测量电路
二
气体检测电路的 设计
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一
气敏传感器的基本原理及 测量电路
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1.气敏传感器的定义
气敏传感器的定义：能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体种 类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在 环境中存在情况有关的信息。
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旁热式气敏器件结构及符号
加热器
电极 1
6 4
2
3
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
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5.气敏传感器基本原理
电阻式气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化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）。
温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得 多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100℃～ 300℃之间测温。
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思考题
1.气敏元件通常工作在高温状态（200~450°C），请说明原因。 2.简要说明气体传感器的分类，并说明它们各自的工作原理有何特点。 3.请同学们根据已介绍的气体传感器的基本检测电路和电子线路设计知识，设 计一个完整的气体检测系统。 4. TGS系列半导体式气体传感器是哪家公司的代表产品？其特点如何？