气敏传感器
气敏传感器
1.2 主要特性参数
1．回路电压 测试气敏传感器的回路所加的电压称为回路电压。
2．标定气体电压
在标定气体中，气敏传感器负载电阻的电压称为标定气体电压，
用UCS 表示。显然，UCS 与传感器工作电阻 RS、负载电阻 RL 及回路电压UC
有关，即
U CS
UC RL RS RL
（6-1）
3．洁净空气电压
（a）实物 （b）引脚图 （c）符号
f—加热电极； A、B—气敏电极
按照结构的不同，电阻型半导体式气敏传感器的敏感元件又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型
（1）烧结型气敏元件。 工艺最成熟，且应用最广泛。
（2）薄膜型气敏元件。
优点：颗粒较小，且具有灵 敏度高、响应速度快、机械 性能好和成本低等。
图6-4 烧结型气敏元件的结构
洁净空气电压是指在洁净空气中气敏传感器负载电阻上的电压，用 UO 表示。
UO 与固有电阻 R0、负载电阻 RL 及回路电压UC 的关系可表示为
UOUC RL R0 RL Nhomakorabea（6-2）
4．固有电阻和工作电阻
固有电阻 表示气敏传感器在正常空气条件下（或洁净空气条件下）的阻 值，又称正常电阻；工作电阻 则表示气敏传感器在一定浓度的检测气体中的 阻值。
传感器原理与应用
1.1 工作原理和分类
1．半导体式气敏传感器
按照半导体物理特性的不同，可将其分为电阻型和非电阻型两类。
电阻型半导体式气敏传感器中，气敏半导体材料吸附气体时，其阻值会产生 变化，利用这一原理，便可通过测量阻值的变化而检测气体的成分或浓度。
（a）
（b）
（c）
图6-3 电阻型半导体式气敏传感器
图6-5 薄膜型气敏元件的结构
气敏传感器
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管Biblioteka 气敏传感器BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
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，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
（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0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
2.3 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)。 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)。
《气敏传感器》课件
相对误差
指传感器测量值与真 实值之间的差距，较 小的相对误差表示传 感器的测量精度较高。
工作温度范围
指传感器能够正常工 作的温度范围，对应 不同应用场景需要选 择适合的工作温度范 围。
响应时间
指传感器从检测到气 体变化到输出检测结 果所需的时间，较短 的响应时间意味着传 感器更加敏捷。
气敏传感器的应用
• 空气质量监测 • 工业制程控制 • 安全监测 • 智能家居
气敏传感器的发展趋势
1 微型化
2 智能化
ห้องสมุดไป่ตู้
随着技术的进步，气敏传感器正在朝着更小、 更集成的趋势发展，以适应日益复杂的应用 场景。
借助人工智能和物联网技术，气敏传感器正 在实现智能化，能够自动分析和判断气体状 况，并提供准确的监测结果。
3 多功能化
《气敏传感器》PPT课件
本课件介绍气敏传感器的原理、分类、制备方法、性能指标、应用和未来发 展趋势，帮助你深入了解这一重要领域。
什么是气敏传感器
气敏传感器是一种可以感知气体成分、浓度或相应的物理性质的装置。通过 检测气体的变化，它可以帮助我们了解环境中的气体状况。
气敏传感器的分类
基于传感材料分类
1 薄膜制备法
通过沉积敏感材料在基底上，形成薄膜结构的制备方法。
2 溶胶凝胶法
将溶胶中的成分凝胶化，制备敏感材料的方法。
3 高压方法
利用高压技术将材料转变为具有特殊结构和性质的制备方法。
气敏传感器的性能指标
灵敏度
指传感器对气体的响 应程度，越高说明相 同浓度的气体变化能 够被传感器更好地捕 捉到。
根据传感器所使用的敏感材 料的不同，可以将气敏传感 器分为多种类型，如金属氧 化物传感器、半导体传感器 等。
气敏传感器的原理与应用
气敏传感器的原理与应用1. 气敏传感器的概述•气敏传感器是一种可以检测和测量气体浓度的装置，常用于环境监测、工业生产和安全检测等领域。
•气敏传感器的原理基于气体与传感器元件之间的相互作用，通过测量元件的电阻、电容或其他属性变化来判断气体的浓度。
2. 气敏传感器的工作原理• 2.1 电化学型气敏传感器–电化学传感器使用化学反应来检测气体浓度，常见的有电池式气体传感器和电解池式气体传感器。
–电化学传感器通过气体与传感器内部的电极相互作用产生电流或电势变化，进而测量气体浓度。
• 2.2 电阻型气敏传感器–电阻型传感器利用气体对敏感材料电阻的影响来测量气体浓度，常见的有氧气传感器、CO传感器等。
–当敏感材料暴露在目标气体中时，其电阻会随气体浓度的变化而变化，可以通过测量电阻的变化来获得气体浓度信息。
• 2.3 光学型气敏传感器–光学型传感器利用气体分子对光的吸收或发射特性来测量气体浓度，常见的有红外线气敏传感器、紫外线气敏传感器等。
–这类传感器通过测量气体吸收或发射的光强的变化来判断气体浓度。
3. 气敏传感器的应用• 3.1 环境监测–气敏传感器可以用于室内和室外空气质量监测，例如检测空气中的二氧化碳、甲醛等有害气体。
–在工业污染防治中，气敏传感器也能用于监测废气排放情况，确保生产过程的环保合规。
• 3.2 仪器设备–气敏传感器可以应用于仪器设备中，例如气体检测仪、火灾报警器等，及时发现和报警气体泄露或火灾等灾害。
–在医疗设备中，气敏传感器可以用于检测患者呼吸气体的成分，帮助医生进行病情诊断。
• 3.3 智能家居–气敏传感器可以应用于智能家居系统中，例如监测室内温度、湿度、甲醛等有害气体浓度，提醒用户开窗通风。
–在智能安防领域，气敏传感器可以配合视频监控系统，检测烟雾和有毒气体，实现及时报警和紧急处理。
4. 气敏传感器的发展趋势• 4.1 小型化–随着微电子技术的发展，气敏传感器逐渐实现了更小型化的设计，可以更方便地嵌入到各种设备和系统中。
气敏传感器用途
气敏传感器用途气敏传感器是一种能够感知气体浓度的传感器，它可以将气体的浓度转化为电信号输出。
气敏传感器的用途非常广泛，下面将从以下几个方面介绍气敏传感器的用途。
1. 空气质量监测气敏传感器可以用于监测室内和室外的空气质量。
在室内，气敏传感器可以监测有害气体的浓度，如甲醛、苯等有害物质的浓度，以保障人们的健康。
在室外，气敏传感器可以监测环境中的污染气体的浓度，如二氧化硫、氮氧化物等，以评估空气质量，并为环境保护部门提供数据支持。
2. 工业安全监测气敏传感器可以用于工业场所的安全监测。
在化工厂、煤矿等危险场所，气敏传感器可以监测可燃气体的浓度，如甲烷、乙炔等，及时发现并预警潜在的爆炸危险。
同时，气敏传感器也可以监测有毒气体的浓度，如硫化氢、氰化氢等，以保障工人的生命安全。
3. 智能家居气敏传感器可以应用于智能家居系统中，实现对家庭环境的监测和控制。
通过安装气敏传感器，可以实时监测室内空气中的有害气体浓度，如一氧化碳、烟雾等，当浓度超过安全阈值时，系统可以自动报警并采取相应的措施，如打开新风系统、关闭燃气阀门等，以保障家人的安全。
4. 智慧城市建设气敏传感器可以用于智慧城市建设中的环境监测。
通过在城市各个角落安装气敏传感器，可以实时监测环境中的有害气体浓度，并将数据传输到中心控制系统，以实现对城市空气质量的动态监测和评估。
这些数据可以用于城市规划和环境政策的制定，以改善城市居民的生活质量。
5. 农业温室控制气敏传感器可以应用于农业温室中，实现对温室环境的监测和控制。
通过安装气敏传感器，可以实时监测温室内的二氧化碳浓度、湿度等参数，并根据监测到的数据调节温室的通风、加湿等系统，以提供最适宜的生长环境，提高农作物的产量和质量。
总结：气敏传感器的用途非常广泛，主要包括空气质量监测、工业安全监测、智能家居、智慧城市建设和农业温室控制等领域。
随着技术的不断进步，气敏传感器的应用将会越来越广泛，为人们的生活和工作带来更多的便利和安全。
气敏传感器
• 缺点：
– 稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性 差异大等。
SnO2半导体气敏元件特点
（1）气敏元件灵敏度特性 烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对 气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件 的阻值RC 与空气中被测气体的浓度C成对 数关系： log RC＝m logC+n 式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料 和气体种类不同而变化外，还会由于测量 温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。 m为气体的分离度，随气体浓度变化而变 1 化，对于可燃性气体， m 1 。
气敏传感器的分类
类 型 原 理 检测对象
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
特
点
半导体式
若气体接触到加热的金属 氧化物(SnO2 、Fe2O3 、ZnO2 等)， 电阻值会增大或减小
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例 输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
接触燃烧式
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
还 原型
吸 气时
图 7-20 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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
7.2.3 半导体气敏传感器类型及结构
7.2 气 敏 传 感 器
7.2.1 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。它将气体种类及其浓度等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
气敏传感器的分类
气敏传感器的分类气敏传感器是一种常用的传感器，用于测量气体浓度和其他气体特性。
气敏传感器根据其感知材料类型和传感器结构可以分成多种类型。
一、基于感知材料分类1.半导体气敏传感器半导体气敏传感器的感知材料是一种硫化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、钨三氧化物(WO3)等半导体材料。
在气体进入传感器后，半导体材料表面的电子结构会产生变化，导致电阻率发生变化，从而实现测量气体浓度的目的。
半导体气敏传感器体积小、响应速度快、能耗低、价格相对较低。
2.电化学气敏传感器电化学气敏传感器的感知材料通常是一种贵金属或其合金，如白金、铂铑合金等，其原理是将气体与电解液接触后，气体分为氧化或还原的反应，被感知材料所吸收或反应。
这种传感器具有高灵敏度和高选择性，但价格相对较高，且需要在特定的环境中使用。
光学气敏传感器的感知材料是一种可以与气体反应的荧光分子，当气体进入传感器后，荧光分子会产生变化，从而导致光学信号的变化，通过检测光学信号的变化可以实现气体浓度的测量。
这种传感器具有高灵敏度和高选择性，但价格相对较高。
二、基于传感器结构分类红外型气敏传感器是一种基于红外吸收原理的传感器，它可以测量气体的分子结构。
当气体进入传感器后，红外光源发出红外光束，气体会吸收其中的特定波长，通过检测红外光束的强度变化可以实现气体浓度的测量。
电容型气敏传感器是一种将电容作为感知元件的传感器。
当气体进入传感器后，感知元件所在区域的介电常数会发生变化，从而导致电容值发生变化，通过检测电容值的变化可以实现气体浓度的测量。
总之，气敏传感器可以根据其感知材料类型、传感器结构等多方面的因素进行分类。
不同类型的气敏传感器在其应用领域和技术特点方面有所不同，具体的使用需要根据实际需求进行选择。
气敏传感器主要参数
气敏传感器主要参数
气敏传感器是一种用于检测气体浓度的传感器，具有灵敏度高、
响应速度快等特点，广泛应用于环境监测、工业生产等领域。
其主要
参数包括灵敏度、响应时间、反应范围等，下面给大家详细介绍。
一、灵敏度：
灵敏度是气敏传感器的一个重要参数，可以衡量传感器对于目标
气体的检测灵敏程度。
一般来说，灵敏度越高，传感器对于目标气体
的检测能力就越强。
而气敏传感器的灵敏度主要由其敏感材料决定，
不同的敏感材料适用于不同的目标气体。
二、响应时间：
响应时间是指气敏传感器从接收到目标气体到输出信号变化所需
要的时间。
一般来说，响应时间越短，传感器的实时性就越高。
然而，响应时间短也会导致传感器对于噪声和干扰的抗干扰能力下降，需要
在使用时做出平衡。
三、反应范围：
反应范围是气敏传感器对目标气体检测的浓度范围。
反应范围应
当覆盖到目标气体浓度的实际使用范围，过高或过低的浓度均不利于
传感器的使用。
同时，传感器的反应范围也会受到环境参数的影响，
要在具体使用场景中进行细化调整。
综上所述，气敏传感器的灵敏度、响应时间和反应范围三大主要参数根据具体应用场景的需求进行不同程度的调整。
在使用过程中，也需要对传感器进行定期检测、校准和维护，以确保其在长期使用过程中能够正常稳定地发挥作用，为环境监测、工业生产等领域提供准确可靠的数据支持。
气敏传感器的工作原理
气敏传感器的工作原理
1定义
气敏传感器是一种特殊的传感器，它可以检测出环境中各种气体的浓度和比例。
2原理
气敏传感器的原理是利用电化学反应识别出空气中各种气体，通常是一种小型电阻传感器，它使用金属电阻，通过测量电阻来识别环境中各种气体的浓度和比例。
当环境中存在被检测的气体时，电阻会发生变化，从而测量出气体的浓度和比例。
3工作原理
气敏传感器的工作原理主要分为三个步骤：
（1）电解质溶液：电解质电压将作为激励电压，将气体电解变成气体离子。
（2）膜分离：通过沉积电解质对气体离子的吸收，将气体离子和电解质离子分离。
（3）电阻测量：根据气体离子的分布，测量出气体离子所产生的电阻变化，从而检测到环境中各种气体的浓度和比例。
4优点
气敏传感器具有准确度高、灵敏性强、响应速度快、尺寸小、传输距离长、结构简单、稳定性好、运行容易、价格低等优点，大大的提升了传感器的检测精度和可靠性。
5应用
气敏传感器广泛应用于航空航天、无线通讯、生物化学、汽车制造、环境监测等行业，有着重要的现实意义。
例如，气敏传感器可以用来监测空气中的有毒气体浓度，以帮助预防空气污染；也可以帮助航空航天技术更好地检测天气状况；另外，气敏传感器还可以用于呼吸治疗，帮助更好地调节呼吸模式。
气敏传感器
应用电子学院
《传感器技术》
一、可燃气体传感器的检测原理
3. 气敏传感器的连接及调测
举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测
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
TiO2氧浓度传感器 测量转换电路
在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。 如 遇明火，即可燃烧，发生“瓦斯”爆炸，直接威胁着矿工的生命安 全。因此，矿井工作对“瓦斯”十分重视，除去采取一些必要的安 全措施外，有的矿工会提着一个装有金丝雀的鸟笼下到矿井，把鸟 笼挂在工作区内。原来，金丝雀对“瓦斯”或其他毒气特别敏感， 只要有非常淡薄的“瓦斯”产生，对人体还远不能有致命作用时， 金丝雀就已经失去知觉而昏倒。矿工们察觉到这种情景后，可立即 撤出矿井，避免伤亡事故的发生
气敏传感器外形
酒精传感器 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。
瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用 分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学 作用，继续生成瓦斯。 瓦斯是无色、无味的气体，但有时可以闻到 类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。 瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为 0.716kg/m³，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也 不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃 烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。
应用电子学院
《传感器技术》
气敏传感器_实验报告
一、实验目的1. 了解气敏传感器的工作原理和基本特性；2. 掌握气敏传感器的检测方法及实验操作步骤；3. 分析气敏传感器在不同气体环境下的响应特性。
二、实验原理气敏传感器是一种将气体浓度转换为电信号的传感器。
其基本原理是：当气体分子与半导体材料发生作用时，会引起半导体材料电阻率的变化，从而实现气体的检测。
气敏传感器主要分为半导体气敏传感器和金属氧化物气敏传感器两大类。
三、实验仪器与材料1. 气敏传感器：MQ-2、MQ-3、MQ-5等；2. 气体发生装置：酒精、甲烷、丙烷等；3. 信号发生器：直流稳压电源、信号放大器等；4. 测量仪器：数字多用表、示波器等；5. 实验装置：气敏传感器实验台、实验电路等。
四、实验步骤1. 准备实验装置，将气敏传感器连接到实验电路中；2. 设置实验参数，包括气体种类、浓度、温度等；3. 通电预热气敏传感器，使其达到稳定状态；4. 调节气体发生装置，控制气体浓度；5. 测量气敏传感器的输出电压或电流，记录数据；6. 分析气敏传感器的响应特性，绘制响应曲线。
五、实验结果与分析1. 气敏传感器在不同气体环境下的响应特性（1）MQ-2气敏传感器对酒精的响应特性实验结果表明，MQ-2气敏传感器对酒精的检测灵敏度高，在低浓度下即可检测到酒精。
随着酒精浓度的增加，气敏传感器的输出电压逐渐增大。
在酒精浓度为0.5%时，气敏传感器的输出电压达到最大值。
（2）MQ-3气敏传感器对甲烷的响应特性实验结果表明，MQ-3气敏传感器对甲烷的检测灵敏度高，在低浓度下即可检测到甲烷。
随着甲烷浓度的增加，气敏传感器的输出电压逐渐增大。
在甲烷浓度为0.5%时，气敏传感器的输出电压达到最大值。
（3）MQ-5气敏传感器对丙烷的响应特性实验结果表明，MQ-5气敏传感器对丙烷的检测灵敏度高，在低浓度下即可检测到丙烷。
随着丙烷浓度的增加，气敏传感器的输出电压逐渐增大。
在丙烷浓度为0.5%时，气敏传感器的输出电压达到最大值。
气敏传感器工作原理
气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种可以检测气体浓度变化的设备。
它的工作原理基于化学反应和电学信号转换。
首先，气敏传感器内部包含一个灵敏的化学材料，通常是一种金属氧化物。
这些氧化物材料具有氧化还原能力，在特定气体环境中可以发生化学反应。
当目标气体进入传感器时，它会与化学材料发生反应，导致材料的电导率发生变化。
其次，传感器利用电极将化学材料与外部电路连接。
当传感器受到外部电压的激励时，电导率的变化将导致电流的流动。
传感器内部的电路会测量电流的变化，从而得出气体浓度的信息。
一般情况下，气敏传感器的电阻值与目标气体浓度呈反比关系。
当目标气体浓度增加时，传感器的电阻值会减小，电流增大；反之，当目标气体浓度减小时，电阻值会增大，电流减小。
总的来说，气敏传感器通过化学反应和电学信号转换的方式来检测气体浓度的变化。
它可以应用于空气质量监测、工业生产过程中有害气体的检测等领域。
气敏传感器
氧化锡﹑氧化锌
氧化钛﹑氧化锡 ﹑氧化镁
室温 ~450℃ 可燃性气体 ﹑
300℃~450 可燃性气体﹑乙
℃
醇﹑氧气
表面电位
氧化银
室温
硫﹑醇
非 电 阻
二极管整流特 性
型
晶体管特性
铂/硫化镉﹑铂/ 氧化钛
铂栅MOS场效应管
室温
氢气﹑一氧化碳
~450℃ ﹑乙醇
150℃
氢气﹑硫化氢
气敏传感器应满足下列要求：
K Rs (c2 ) Rs (c1 )
Rs(C2) ：代表检测气体为S ，浓度为C2时的器件 电阻值 ；Rs(C1) ：表示检测气体为S，其浓度为 C1时器件电阻值
选择性：表示气体传感器对被测气体的识别(选择)
以及对干扰气体的抑制能力 ，如下式表示：
SA/ B
KA KB
SA/B-传感器对A气体的选择性系数；
传感检测技术基础
介绍气敏传感器的概念，种类；
按构成材料的特性 ，分为半导体和非半导 体两大类 ；
半导体气敏传感器可分为电阻型和非电阻 型两类,如表8.1所示；
电阻型与非电阻型检测气体的浓度功能的 不同
表8.1半导体气敏传感器的分类
物理特性
敏感材料
工作温度 被测气体
表面电阻控
电 阻 型
电 阻
制
体电阻控制
图8.2 烧结型半导体气敏传感器结构
薄膜型气敏传感器结构，如图8.3所示：
图8.3 薄膜型半导体气敏传感器结构
厚膜型气敏传感器 ，如图所示：
图8.4 厚膜型半导体气敏传感器
上述三种气敏传感器的共同之处是皆附有加热丝， 加热的方式有直热式和旁热式 ；
SnO2半导体气敏传感器的电阻变化率与气体浓度 变化的关系 ，如图示：
气敏传感器
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。
体电阻控制型
半导体气敏传感器 二极管式气敏传感器 非电阻控制型 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
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。
图6 ：输出电压与温度的关系
2.2 半导体传感器在实际电路中的应用
气 敏 传 感 器
3、气敏传感器的工作原理 气敏传感器的工作原理
工作原理：声表面波器件之波速和频率会随外界 环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种 性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的 气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化 学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏 薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶 体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层 质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频 率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就 可以准确的反应气体浓度的变化。
4、气敏传感器的分类
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要 包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化 学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。 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（R11、R12）的检测、呼气 中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。 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。
气敏传感器
1、气敏传感器的定义 气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频 率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成 的一种新型的传感器。 结构：这种传感器的敏感组件由铂丝组成，它被一 种能使可燃气体氧化的特殊催化剂覆盖。使用两 只这样的元件来比较，一个元件对外界气体很敏 感，而另一个元件对外界隔离保持原始态不变。 通过两元件的比较使电桥失衡，因而有信号输出。
2、气敏元件
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随 气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增 大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导 体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负 离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值 增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时， 原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金 属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正 离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电 子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧 化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高 到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本 原理。
7-1 气敏传感器
二、常见气敏传感器的原理
（3）SnO2气敏元件测量电路 SnO2气敏元件测量电路如图所示，图a为直流电源供电， 图b和图c为交流电源供电。图a和图b为旁热式气敏电阻电路， 图c为直热式气敏电阻电路。
SnO2气敏电子测量电路
二、常见气敏传感器的原理
二、常见气敏传感器的原理
旁热式特点：测量电极与加热器分离，避免相互干扰； 热容量大，避免了环境温度变化对敏感元件特性的影响。
市场上应用多为这种。
a）管芯结构；b）符号 旁热式气敏元件结构及符号
二、常见气敏传感器的原理
2）厚膜型SnO2气敏元件 特点：机械强度和一致性比较好。
二、常见气敏传感器的原理
其中应用较为广泛的是半导体气敏传感器和传感器的原理
原理：利用气体吸附而使半导体的电导率发生变化的。 （P121）
常用金属氧化物半导体主要有SnO2、ZnO、Fe2O3等。
二、常见气敏传感器的原理
1.SnO2气敏元件 （1）SnO2气敏元件的工作原理（P121） 气敏元件被加热到稳定状态后，在被测气体接触元件的表面 被吸附后，元件的电阻值就会产生较大的变化。
二、常见气敏传感器的原理
（2）薄膜型ZnO气敏元件 对乙醇、甲烷、一氧化碳、气油等敏感。
ZnO薄膜气敏元件结构示意图
二、常见气敏传感器的原理
（3）多层式ZnO气敏元件 对乙醇敏感。
ZnO铂铱复合型传感器结构图
三、常见气敏传感器的应用
（1）有害气体鉴别、报警与控制电路 MQS2B为气敏传感器，无有害气体时阻值较高； 有有害气体时时阻值迅速减小→Uab下降→B端电压升高
（3）酒精检测报警器 QM-NJ9为气敏传感器，无酒精气体时阻值较高； 有酒精气体时时阻值迅速减小→Uab下降→Urp升高
气敏传感器
气敏电阻器的型号命名由三部分组成，各部分的含 义见下表。 第一部分用字母表示主称。 第二部分用字母表示用途或特征。 第三部分用数字表示产品序号。 国产气敏电阻的命名
பைடு நூலகம்
第一部分：主称
字母 含义
第二部分：用途或特征
字母 J K Y N P 含义 酒精检测用 可燃气体检测用 烟雾检测用 N型气敏元件 P型气敏元件
3
生物机电
优点:这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加 热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间 的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件 加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。
国产QM-N5型和日本费加罗TGS＃812、813型等气
敏传感器都采用这种结构。
引线 引线 电极 加热 丝 电极 绝缘 瓷管 (a ) SnO2 烧 结 体 加热 丝 (b ) 测量 电极 加热 丝
（1）直接加热式SnO2气敏元件
由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分 组成。
加热极
SnO2烧结体 1 2 (a)结构
3
4
1 2
3 4
(b)符号
图1直热式气敏器件结构及符号
1 SnO2 烧结体 1 2 3 4 Ir—Pd 合金丝 (加热器兼电极) (a )
3
1 3
2
4 (b )
2 4
应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。
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。
气敏传感器定义与分类
3.常见气敏传感器
图3 酒精传感器
图4 酒驾测试、报警器
3.常见气敏传感器
图5一氧化碳、二氧化碳传感器 图6一氧化碳浓度测试器
图7二氧化碳浓度测试仪
3.常见气敏传感器
图8烟雾报警器
图9家用煤气报警器
图10汽车尾气测试器 图11有毒气体检测仪
图12甲烷检测仪
3.常见气敏传感器
图13 NH3传感器
图14其他常见气敏传感器
课程内容 Course Contents
1. 气敏传感器定义和作用 2. 气敏传感器分类 3. 常见气敏传感器 4. 气敏传感器典型应用和发展
4 .气敏传感器典型应用和发展
4.1气敏传感器典型应用
Definition and classfication of air-sensitive sensor
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1. 气敏传感器定义和作用 2. 气敏传感器分类 3. 常见气敏传感器 4. 气敏传感器典型应用和发展
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1. 气敏传感器定义和作用 2. 气敏传感器分类 3. 常见气敏传感器 4. 气敏传感器典型应用和发展
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1.气敏传感器定义和作用
1.1气敏传感器定义
气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度并且将之转 化为电信号的一种敏感器件。
图1 气敏传感器
1.气敏传感器定义和作用
1.2气敏传感器作用
气敏传感器相当于人类的鼻子，可 以“嗅”出空气中某种特定气体，并且 判定气体的浓度，从而实现对气体成分 的检测和监控，用来改善人们生活水平， 保障人们生命安全。
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13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素
1)SnO2结构组成对气敏效应的影响 具有金红石型晶体结构,用于制作气敏元件的SnO SnO2具有金红石型晶体结构,用于制作气敏元件的SnO2,一般都 是偏离化学计量比的, 中有氧空位或锡间隙原子. 是偏离化学计量比的,在SnO2 中有氧空位或锡间隙原子.这种 结构缺陷直接影响气敏器件特征.一般地说, 中氧空位多, 结构缺陷直接影响气敏器件特征.一般地说,SnO2 中氧空位多, 气敏效应明显. 气敏效应明显. (2)SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明, 中的添加物质,对其气敏效应有明显影响. 实验证明,SnO2中的添加物质,对其气敏效应有明显影响. 10- 列出了具有不同添加物质的SnO 气敏元件的气敏效应. 表10-2列出了具有不同添加物质的SnO2气敏元件的气敏效应. (3)烧结温度和加热温度对气敏效应的影响 实验证明,制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度, 实验证明, 制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度 , 对 其气敏性能有明显影响.因此, 其气敏性能有明显影响.因此,利用元件这一特性可进行选择 检测. 检测.
13.1.3 SnO2的基本性质
物理性质: 1.SnO2 物理性质: 是一种白色粉末, SnO2 是一种白色粉末 , 密度 16- 02g/cm 为 6.16-7.02g/cm3 , 熔 点 为 1127℃ 1127℃,在更主温度下才能分 沸点高于1900 1900℃ 解,沸点高于1900℃的金属气 化物. 不溶于水, 化物.SnO2 不溶于水,能溶于 热强酸和碱. 热强酸和碱. 晶体结构: 2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构, 是金红石型结构,具有正方晶 系对称, 系对称,其晶胞为体心正交平 行六面体, 行六面体,体心和顶角由锡离 子占据. 其晶胞结构如图10 10子占据 . 其晶胞结构如图 1016 所 示 , 晶 格 常 数 为 a=0 475nm c=0 319nm nm, nm. a=0.475nm,c=0.319nm.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型SnO 烧结型 SnO2 气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件. 气敏元件.制作元件的气敏材料多孔质 烧结体.在晶体中如果氧不足, SnO2 烧结体 . 在晶体中如果氧不足 , 将 出现两种情况:一是产生氧空位, 出现两种情况:一是产生氧空位,另一 种是产生锡间隙原子.但无论哪种情况, 种是产生锡间隙原子.但无论哪种情况, 在禁带靠近导带的地方形成施主能级. 在禁带靠近导带的地方形成施主能级. 这些施主能级上的电子, 这些施主能级上的电子,很容易激发到 导带而参与导电. 导带而参与导电.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理B
烧结型SnO2气敏元件的气敏部分,就是这种 N型SnO2材料晶粒形成的多孔质烧结体,其 结合模型可用图10-20表示.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
这种结构的半导体,其晶粒接触界面存在电子势垒, 其接触部(或颈部)电阻对元件电阻起支配作用. 显然,这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状, 亦即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响.
由于氧吸附力很强,因此, 气敏元件在空气中放置时, 由于氧吸附力很强,因此,SnO2气敏元件在空气中放置时 ,其表面上总 是会有吸附氧的,其吸附状态均是负电荷吸附状态.这对N 是会有吸附氧的 , 其吸附状态均是负电荷吸附状态 . 这对 N 型半导体来 形成电子势垒,使器件阻值升高. 说,形成电子势垒,使器件阻值升高. 气敏元件接触还原性气体如H CO等时 等时, 当SnO2气敏元件接触还原性气体如H2, CO 等时,被测气体则同吸附氧发 生反应,如图10 20c所示,减少了On 吸附密度,降低了势垒高度, 10On生反应,如图10-20c所示,减少了On- 吸附密度,降低了势垒高度,从 而降低了器件阻值. 而降低了器件阻值. 在添加增感剂( pd)的情况下,它可以起催化作用从而促进上述反应, 在添加增感剂(如pd)的情况下,它可以起催化作用从而促进上述反应, 提高了器件的灵敏度.增感剂作用如图10 20d所示. 10提高了器件的灵敏度.增感剂作用如图10-20d所示.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
氧吸附在半导体表面时,吸附的氧分子从半导体表面获得电子, 氧吸附在半导体表面时,吸附的氧分子从半导体表面获得电子,形成受主型表面 能级, 能级,从而使表面带负电 e→On10-21) 1/2 O2(气)+ne→On- 吸附 (10-21)
式中On- 吸附——表示吸附氧;On——表示吸附氧 ——电子电荷 电子电荷; 式中On- 吸附——表示吸附氧;On- 吸附 ;e——电子电荷; On ;n——个数. ——个数. 个数
13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点
( 1 ) 气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关 因此,非常适用于微量低浓度气体的检测. 系.因此,非常适用于微量低浓度气体的检测. 材料的物理, 化学稳定性较好, ( 2 ) SnO2 材料的物理 , 化学稳定性较好 , 与其它类型 气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比,SnO2气敏元 气敏元件(如接触燃烧式气敏元件) 相比, 件寿命长,稳定性好,耐腐蚀性强. 件寿命长,稳定性好,耐腐蚀性强. 气敏元件对气体检测是可逆的,而且吸附, ( 3 ) SnO2 气敏元件对气体检测是可逆的 , 而且吸附 , 脱附时间短,可连续长时间使用. 脱附时间短,可连续长时间使用. 元件结构简单,成本低,可靠性较高, ( 4 ) 元件结构简单 , 成本低 , 可靠性较高 , 机械性能 良好. 良好. 对气体检测不需要复杂的处理设备. ( 5 ) 对气体检测不需要复杂的处理设备 . 可将待检测 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单. 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单.
13.2.1
SnO2主要性能参数 A
3,响应时间trcs 响应时间t 把从元件接触一定浓度的被测气 体开始到其阻值达到该浓度下稳 定阻值的时间,定义为响应时间, 定阻值的时间,定义为响应时间, 表示. 用trcs表示. 4,恢复时间trcc 恢复时间t 把气敏元件从脱离检测气体开始, 把气敏元件从脱离检测气体开始, 到期阻值恢得到正常空气中阻值 的时间,定义为恢得时间,用 表示. trcc表示. 实际上, 实际上,常用气敏元件从接触或 脱离检测气体开始, 脱离检测气体开始,到其阻值或 阻值增量达到某一确定值的时间, 阻值增量达到某一确定值的时间, 例如, 例如,气敏元件阻值增量由零变 化到稳定增量的63%所需的时间, 63%所需的时间 化到稳定增量的63%所需的时间, 定义为响应时间和恢复时间. 定义为响应时间和恢复时间.
13.1.6 表10-2 添加物对 添加物对SnO2气敏效应的影响
添加物质 PdO,Pd Pd,Pt过渡金属 PdCI2SbCI3 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
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO 气敏元件是以多孔陶瓷SnO 烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 料粒度在1μm以下 以下) 添加不同物质, 材 ( 料粒度在 1μm 以下 ) , 添加不同物质 , 采用传统制陶方法,进行烧结. 采用传统制陶方法,进行烧结. 烧结时埋入测量电极和加热线, 制成管芯, 烧结时埋入测量电极和加热线 , 制成管芯 , 最后将电极和加热丝引线焊在管座上, 最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加 二层不锈钢网而制成元件. 二层不锈钢网而制成元件. 主要用于检测还原性气体, 主要用于检测还原性气体 , 可燃性气体和 液体蒸气.工作时需加热到300 左右. 300℃ 液体蒸气.工作时需加热到300℃左右. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 按其加热方式又可分为 直热式和旁热式两 种.
1.优点: 优点: 制作工艺简单,成本低,功耗小, 制作工艺简单 , 成本低 , 功耗小 , 可以在高电压下使 可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器. 用,可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器. 国内QN型和MQ型气敏元件. QN型和MQ型气敏元件 国内QN型和MQ型气敏元件. 缺点: 2.缺点: 热容量小,易受环境气流的影响; 热容量小,易受环境气流的影响; 测量回路与加热回路间没有隔离,互相影响; 测量回路与加热回路间没有隔离,互相影响; 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩, 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩 , 易造成接 触不良. 触不良.
气敏传感器
13.1 概述Leabharlann 13.1.11.产生原因: 产生原因: 为了确保安全,需对各种可燃性气体,有毒性气体进行检测. 为了确保安全,需对各种可燃性气体,有毒性气体进行检测.目前 实用气体方法很多, 实用气体方法很多,其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法 具有使用方便, 具有使用方便,费用低等特点. 2.发展过程: 发展过程: 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的,最先研制的是S 60年代初期研制成功的 半导体气敏元件是60 年代初期研制成功的,最先研制的是SnO2 薄膜元 它是利用加热条件下S 件.它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增 加而下降,实现对可燃性气体检测. 加而下降,实现对可燃性气体检测. 继而又发现在SnO 烧结体中添加Pt pd等贵重金属可提高灵敏度 Pt或 等贵重金属可提高灵敏度. 继而又发现在 SnO2 烧结体中添加 Pt 或 pd 等贵重金属可提高灵敏度 . 1968年诞生了商品半导体气敏元件 其后, 年诞生了商品半导体气敏元件, 1968年诞生了商品半导体气敏元件,其后,其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场. 元件也相继投放市场. 常用的气敏元件: 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件,目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主. 半导体气敏元件,目前以TGS型和QM- 型气敏元件为主. TGS型和QM
LPG,CO,城市煤气,酒精