电化学气体传感器

(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)
(c) 厚膜型元件
烧结型SnO2气敏元件
其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μ m)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。
第14章气体传感器
14 气 体 传 感 器
14.1 概述
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量
输出的装置或器件。
气体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，按构成气体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体传感器。
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极 1
6
4
2 5 SnO2烧结体 瓷绝缘管 （b）符号 （a）结构 旁热式气敏器件结构及符号
3
加热器电阻值一 般为30Ω～40Ω
Ø18.4
100目不锈钢网 45° 23 45° 7 3 2 1 4 5 6 7
Ø1
气敏元件外形和引出线分布
11
2. 非电阻型半导体气体传感器
O
(a) (b) (c)
V
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
14.3 半导体气敏元件的特性参数
（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 元件 ( 电阻型 ) 的固有电阻值，表示为 Ｒ ａ 。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。
电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，
发生变化，而使电导率变化。
14.2 半导体气体传感器。
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
（b）气体分离度
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 Va
KV 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
16
非电阻型气敏器件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 (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）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
加热极兼电极 SnO2烧结体 3 4 1 2 1 2
3 4
(a)结构
(b)符号
10
直接加热式气敏器件结构及符号
由芯片(敏感体和加热器)，基 座和金属防爆网罩三部分组成 。 因其热容量小、稳定性差，测 量电路与加热电路间易相互干 扰，加热器与SnO2基体间由于 热膨胀系数的差异而导致接触 不良，造成元件的失效，现已 很少使用。
B R ~220V 气敏传感器 BZ 蜂鸣器
氖管
家用可燃性气体报警器电路
21
（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。
17
（5）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200℃以上高温。 为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻 (指加热器 的电阻值 ) 称为加热电阻，用 RH 表示。直热式的加热电阻值一 般小于5Ω ；旁热式的加热电阻大于20Ω 。 气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率， 用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。 （6）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。
15
（2）气敏元件的灵敏度 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

RC1 RC 2
被测气体的。
14.2.1 半导体气体传感器的机理 半导体气体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。
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，而使半导体电阻值增大。
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。 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
14.2 半导体气体传感器。
半导体气体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。
表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生 但内部化学组成不变； 体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成
电极 (铂丝 ) 氧化 物半导 体 半导 体 0.5 mm 电极 0.6 mm
3m
m
绝缘 基片 加热 器 玻璃 (尺寸 约 1 mm ，也有 全为 半导 体的 ) 加热 器 电极 3 mm
(a )
图14-2 半导体气体传感器的敏感元件 (a) 烧结型元件； (b) 薄膜型元件
(b )
0.5 3 3
18
（7）初期稳定时间
长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水 分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着 元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作 状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。
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 。
种类和浓度。
N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
器件电阻 / k 响应时间约 1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
14.2.2半导体气体传感器类型及结构 1. 电阻型半导体气体传感器 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。
（3）气敏元件的分辨率 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 Vgi

Vg Va 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
(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 50~100nm 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(Pd)
C
SiO2 Ca P—Si Cs 氢气中 空气中
19
14.3 气体传感器应用 半导体气体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：
检测
报警 监控
烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器
这是气敏元件应用电路的主体部分。 下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体 浓度的增加，气敏元件的阻Hale Waihona Puke Baidu下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。