第七章 新型气体传感器及阵列..
新型气体传感器的研究与设计
新型气体传感器的研究与设计近年来，随着环境污染问题的日益加剧，人们越来越认识到空气质量对健康和生存的重要性。
因此，研究和设计新型气体传感器，成为了目前科学研究领域的重要课题之一。
本文将对新型气体传感器的研究和设计进行探讨。
一、气体传感器的基本原理气体传感器是一种用于检测气体的特定成分和浓度的电子装置，其核心部件为传感元件。
传感元件是对气体参数感敏的物理或化学变换元件，传送给检测仪或测量装置的信号是与气体参数有关的。
常见的传感元件有电化学传感器、红外线传感器、半导体传感器、光化学传感器和电容式传感器等。
电化学传感器是利用物质与电极表面的作用，测得气体成分浓度的变化，电化学传感器主要由气敏膜和电极构成。
红外线传感器是指红外吸收传感器，它们检测部分有所不同，有品种可检测吸收特定波长的气体，也有可测量各种气体浓度的。
半导体传感器采用半导体材料对气体的敏感性进行测量，当被测气体与半导体材料接触时，化学/物理变化产生，造成传感器元件电阻或电容等特性的变化。
光化学传感器是基于化学吸收或荧光发射的刺激而测量气体的传感器，它根据光谱学原理，使探头吸收检测气体的光谱信号，在获得吸收波长和光谱强度的信号后，再进行分析处理。
电容式传感器是利用载荷之间的相互作用，通过电容量的变化来测量气体的特定成分和浓度。
二、气体传感器的应用现代社会中，气体传感器在生产、生活和保护环境等多个领域发挥着重要的作用。
在生产中，传感器被应用于工业控制、燃气检测、化学工业、制药等多个领域。
在生活中，传感器可以测量污染和有害气体，如CO、SO2、NOx等。
在环保领域，传感器测量化学物质、水质、颗粒物等指标的变化，对环保工作的科学制定和严密管理起到了重要作用。
三、新型气体传感器的研究和设计传统气体传感器的成本高、尺寸大，且灵敏度较低，不适合大规模应用。
因此，研究和设计新型气体传感器成为一个紧迫的任务。
新型气体传感器的设计需要考虑多个方面因素，例如，传感器的灵敏度、选择性、响应时间、成本、制造工艺等。
新型气体传感器的研究与应用
新型气体传感器的研究与应用一、引言气体传感器是一种用于检测、测量和监测气体浓度、压力、流量和其他物理和化学参数的传感器。
它们被广泛应用于各种领域，如环境监测、医疗保健、工业控制和安全等方面。
随着科技的发展，新型气体传感器的研究和应用逐渐成为研究的热点和技术进展的方向。
本文将重点介绍几种新型气体传感器的研究和应用，包括光谱传感器、生物传感器和纳米传感器等，以及它们在环境监测、医疗保健、工业控制和安全等方面的应用。
二、光谱传感器光谱传感器是一种基于光谱技术的传感器，利用可见光、红外或紫外光的吸收、发射或散射来检测气体的浓度和成分。
它具有高敏感度、高选择性和非接触性等优点。
光谱传感器的核心技术是光谱分析，合理的光谱分析能够提高传感器的灵敏度和准确度。
例如，在使用红外光谱传感器检测甲烷时，通过选择合适的光源波长可以实现最佳的检测结果。
光谱传感器的应用领域主要包括环境监测、空气质量检测、火灾检测、化学品检测和工业过程控制等。
例如，红外光谱传感器可以检测甲烷等有害气体，用于环境监测和工业控制。
紫外光谱传感器可以用于检测臭氧等空气污染物，用于空气质量检测。
光谱传感器的灵敏度和准确度的提高，有望为环境监测和空气质量检测提供更有效的手段。
三、生物传感器生物传感器是一种基于生物反应原理的传感器，利用生物元件如酶、抗体等来检测气体成分或性质的传感器。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点。
生物传感器的核心技术是生物反应，合理的生物反应设计能够提高传感器的灵敏度和选择性。
例如，利用抗体作为生物元件，能够实现对特定分子的高度选择性。
生物传感器的应用领域主要包括生物医学检测、食品安全检测、环境检测和生产工艺控制等方面。
例如，利用生物传感器可以检测血糖、血清蛋白等生物分子，用于生物医学检测。
利用生物传感器也可以检测食品中的有害物质，用于食品安全检测。
四、纳米传感器纳米传感器是一种利用纳米材料和纳米技术构建的传感器，具有高灵敏度和特异性等优点。
新型气体传感器的研发与应用
新型气体传感器的研发与应用在当今科技飞速发展的时代，气体传感器作为一种能够检测和测量各种气体成分和浓度的重要设备，在众多领域发挥着至关重要的作用。
从环境监测、工业生产到医疗诊断、智能家居，新型气体传感器的研发和应用不断推动着各个行业的进步和创新。
气体传感器的工作原理主要基于不同的物理或化学现象。
常见的有电化学原理，通过测量气体在电极上发生化学反应所产生的电流或电位变化来确定气体浓度；还有光学原理，利用气体对特定波长光线的吸收或散射来进行检测；以及半导体原理，基于气体与半导体材料表面的相互作用导致电阻或电导的改变。
新型气体传感器的研发旨在克服传统传感器的一些局限性，并满足日益增长的应用需求。
一方面，传统传感器可能存在灵敏度不够高、选择性差、响应时间长、稳定性不佳等问题；另一方面，随着应用场景的不断拓展，对传感器的小型化、低功耗、多气体检测能力等提出了更高的要求。
在新型气体传感器的研发中，纳米技术的应用成为了一个重要的突破点。
纳米材料具有独特的物理和化学性质，例如巨大的比表面积、优异的电学和光学性能等。
将纳米材料应用于气体传感器中，可以显著提高传感器的性能。
例如，纳米金属氧化物如氧化锌、氧化锡等，由于其表面丰富的活性位点，对气体分子具有极高的敏感性，能够大大提高传感器的检测下限和灵敏度。
此外，基于微机电系统（MEMS）技术的气体传感器也逐渐崭露头角。
MEMS 技术可以将传感器的尺寸缩小到微米甚至纳米级别，实现传感器的微型化和集成化。
同时，通过微加工工艺，可以精确控制传感器的结构和性能，提高传感器的一致性和稳定性。
在材料创新方面，除了纳米材料和MEMS 技术，有机半导体材料、石墨烯等新型材料也为气体传感器的发展带来了新的机遇。
有机半导体材料具有成本低、柔韧性好、可大面积制备等优点，适用于制备柔性和可穿戴式气体传感器。
石墨烯则具有极高的载流子迁移率和优异的电学性能，有望实现高灵敏度和快速响应的气体检测。
第七章 新型气体传感器及阵列
识别功能—待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附
比表面积、氧化活性、表面酸碱度等
转换功能—化学量向电学量（电阻）的转换能力
敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等
敏感体的利用效率 —在待测气氛中敏感体电阻
变化部分占整个敏感体的比率 敏感材料的多孔性、催化活性及待测气体的 扩散系数等
还原性气体
Fe3+
Fe2+
吸附氧俘获电子，表层空穴 浓度进一步增加，表面层电 阻下降
吸附氧
原始态P型-MFe2O4
电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作
7.2 气体传感器敏感机理
2. 能级生成理论
还原性气体 束缚空穴
给电子
R
N型半导体 （SnO 、ZnO等）
2
氧化性气体
给空穴
减少导带电子数
R
导带 多晶硅薄膜SEM图 禁带 价带
N型半导体
电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作
7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论
晶粒界面
半导体 晶粒 半导体 晶粒
电子接受型 气体：O2
半导体 晶粒
晶粒界面
半导体 晶粒
导带 禁带 价带
氧化性气体 吸取电子
导带
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ++
++
禁带 价带
势垒
N型半导体
第七章
新型气体传感器及阵列
电子科技大学
敏感材料与传感器 课程组
制作
目 录
7.1 概 述
基础
7.2 气体传感器敏感机理 7.3 新型气体传感器及阵列
加深概念
新型气体传感器的设计与应用
新型气体传感器的设计与应用随着科技的飞速发展，气体传感器作为环境与安全监测的重要装置，也在不断地更新和升级。
传统气体传感器由于其在响应速度、灵敏度、稳定性等方面存在较大局限性，在某些领域中已难以满足需求。
而新型气体传感器的问世，能够更优秀地解决这些问题，形成一种更为先进的气体传感器技术。
本文将探讨新型气体传感器的设计与应用，以期更全面地了解其性能和应用场景。
一、新型气体传感器的设计原理新型气体传感器设计的基本原理是基于纳米技术和微电子制造技术，将敏感部件制造成微小的结构，以提高对气体的检测灵敏度。
基于此原理，目前在新型气体传感器的设计方面主要有以下几个主流的方向：1. 压电式气体传感器压电式气体传感器主要是利用某些特殊的氧化物作为氧化还原物质，将氧气还原成O2-离子，然后通过高压电场作用下，将O2-离子移动到另一电极，并在电极表面还原成O2分子，这一过程中产生的电流和间接比例反映了气体的浓度。
2. 滤波式气体传感器滤波式气体传感器将某些特殊的材料制成气体选择性传感膜，并将其涂布在晶体管处。
通过在晶体管上施加单频信号，检测穿过传感膜的电流信号大小，并将信号与传感膜选择性比较，再反映气体浓度。
3. 光学式气体传感器光学式气体传感器主要是利用某些特殊的材料，将气体激发成特有的发射光谱，通过检测这些光谱的强度或波长，可以反映出气体的浓度。
以上三种气体传感器设计原理大致相同，其不同点在于对纳米和微电子制造技术的应用层次不同。
二、新型气体传感器的应用场景新型气体传感器在石油化工、环保、食品饮料、机械制造等行业中具有广泛的应用场景。
1. 石油化工石油化工行业的安全控制领域需要精确地控制各种气体环境，以确保化工生产的安全。
新型气体传感器在炼油工业中可以用于监测烃类气体、氨气、苯、甲醛等，以实现及时监测和安全控制。
2. 环保环保方面，新型气体传感器可以被广泛应用于空气和水环境的监测。
如在空气中，通过监测空气中甲醛、苯等有害气体的浓度，可以防止环境污染和保护人类健康。
新型气体传感器 结构
新型气体传感器结构新型气体传感器结构简介随着科技的发展，人们对于气体传感器的需求越来越高。
新型气体传感器结构的设计成为了研究的热点之一。
本文将介绍一种基于先进技术的新型气体传感器结构，该结构具有高灵敏度和快速响应的特点。
1. 引言气体传感器在环境监测、工业安全和医疗诊断等领域起着重要作用。
为了满足人们对气体传感器性能的不断追求，研究者们提出了一种新型的气体传感器结构。
2. 结构设计新型气体传感器采用了微纳技术和先进材料，具有更小的尺寸和更高的敏感度。
其主要组成部分包括传感层、传感电极、交流电源和信号处理器。
2.1 传感层传感层是气体传感器的关键部分，用于吸附目标气体并产生相应的电信号。
传感层通常采用纳米材料，如金属氧化物、纳米管等，具有较大的比表面积和高度选择性。
2.2 传感电极传感电极是传感器中用于接收传感层信号的部分。
传感电极通常由导电材料制成，如金属、导电聚合物等。
传感电极的设计要考虑到与传感层的接触质量和信号传输效率。
2.3 交流电源交流电源用于提供传感器工作所需的电能。
传感器通常采用低功耗的交流电源，以确保长时间稳定的工作。
2.4 信号处理器信号处理器是对传感器采集到的信号进行放大、滤波和数字化处理的部分。
信号处理器可以根据不同的气体特征进行相应的算法处理，从而实现对不同气体的判别和浓度分析。
3. 工作原理新型气体传感器的工作原理基于目标气体与传感层之间的相互作用。
当目标气体与传感层接触时，传感层会发生吸附或化学反应，从而改变传感层的电学性质。
传感电极接收到这种改变后的电信号，并经过信号处理器处理后输出相应的气体浓度信息。
4. 应用前景新型气体传感器结构具有高灵敏度、快速响应和低功耗等优点，可以广泛应用于环境监测、工业安全、医疗诊断等领域。
例如，它可以用于检测空气中的有害气体、监测工业生产过程中的气体浓度以及诊断呼吸系统疾病等。
5. 结论新型气体传感器结构的设计对于提高传感器性能具有重要意义。
气体检测传感器阵列的设计与性能分析
气体检测传感器阵列的设计与性能分析随着工业发展和环境保护意识的提高，对气体污染的检测需求日益增加。
气体检测传感器阵列作为一种重要的检测工具，能够同时对多种气体进行准确、快速的监测，因此得到了广泛的应用。
本文将针对气体检测传感器阵列的设计和性能分析展开讨论。
首先，气体检测传感器阵列的设计需要考虑的关键因素之一是选择合适的传感器类型。
常见的气体传感器包括电化学传感器、光学传感器、半导体传感器等。
对于不同的气体监测需求，选择适合的传感器类型可以提高阵列的准确性和可靠性。
例如，在有害气体监测方面，电化学传感器往往具有较高的灵敏度和选择性；而在火灾预警领域，红外线传感器则具有更好的性能。
因此，在设计气体检测传感器阵列时应仔细考虑监测目标和环境条件，选择合适的传感器类型。
其次，传感器阵列的布局和排列方式也对性能起着重要影响。
合理的布局和排列方式可以提高传感器的覆盖范围和检测灵敏度。
一种常见的布局方式是采用网格状或均匀分布的方式排列传感器。
通过增加传感器的数量和密度，可以提高监测系统的全面性和灵敏度。
另外，传感器的位置选择也需要充分考虑气体的扩散情况和检测目标区域的特点，以确保传感器的准确性和可靠性。
另一方面，传感器阵列的信号处理和数据分析是保证其性能的关键环节。
传感器阵列采集到的原始信号需要经过滤波、放大、校准等处理，以提高信号质量和灵敏度。
随着计算机技术的发展，利用先进的信号处理算法和模式识别方法，可以对传感器阵列采集的数据进行更加准确和可靠的分析。
例如，利用模式识别算法可以实现对多种气体的快速鉴别和定量分析，从而进一步提高气体检测传感器阵列的性能。
此外，传感器的灵敏度和稳定性也是设计和性能分析中需要关注的因素。
传感器的灵敏度是指其对气体浓度变化的检测能力，而稳定性则是指在长时间使用中保持一定灵敏度和准确性的能力。
为了保证传感器阵列的性能，需要选择具有较高灵敏度和稳定性的传感器，并进行定期的校准和维护。
对于一些特殊环境条件下的气体检测，如高温、高湿等，还需选择适合的特殊材料和封装方式，以确保传感器的稳定性和可靠性。
新型气体传感器的研制与应用
新型气体传感器的研制与应用随着现代科技的不断发展，无处不在的感知模块逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分。
尤其是气体传感器，其在环境监测、工业生产、医疗卫生等领域都有着广泛的应用。
而随着人们对环境的日益关注，以及对气体污染等问题的认识加深，对气体传感器的精度、快速响应、稳定性和低功耗等方面提出了更高的要求。
新型气体传感器的研制与应用成为当前研究的热点之一。
一、新型气体传感器的发展1.1 气体传感器的种类目前，市面上流行的气体传感器一般分为化学式和物理式两大类。
其中化学式气体传感器将特定的化学元素与气体相互作用，使气体分子发生化学反应，释放出电子，电子会携带电流在内部电路中流动，从而进行气体检测，如CO2传感器和CO传感器等。
而物理式气体传感器则基于气体分子的吸收、散射、反射等原理来进行检测，如红外吸收检测。
1.2 新型气体传感器的发展方向目前，新型气体传感器在诸多方面都有了重要的进展。
首先，新型气体传感器对于低浓度气体的检测能力得到了大幅提升，如二氧化碳传感器，其已经可以实现百万分之一的气体浓度检测。
此外，新型气体传感器运行时的功耗已经大幅降低，同时响应时间也得到了缩短，这些方面的进步使气体传感器得以在对于反应速度要求更高的场合使用。
此外，新型气体传感器还可以融合其他的技术，如人工智能、机器视觉等，能够更加准确和高效地识别和检测气体浓度。
另外，新型气体传感器的成本也在逐步降低。
1.3 新型气体传感器的研究领域新型气体传感器的研究领域多种多样，包括基于MEMS技术（微机电系统）的气体传感器，基于光学和电化学的气体传感器，基于纳米材料和生物技术的气体传感器等。
其中，MEMS技术的气体传感器因其小巧、低成本、高集成度等特点，被广泛应用于煤矿安全监控和环境监测等领域。
相关研究表明，MEMS气体传感器在CO、H2S、SO2等气体检测方面，已经实现了较高的检测精度和响应速度。
二、新型气体传感器的应用领域新型气体传感器在各个领域都有着广泛的应用。
新型气体传感器的研制及应用
新型气体传感器的研制及应用1. 背景与意义气体传感器是一种重要的传感器类型，在工业、环保、医疗等领域都有广泛的应用。
传统的气体传感器通常基于电化学、光谱学、红外光谱学等原理，但这些传感器不仅成本高、体积大，而且对环境温度和湿度变化敏感，无法满足现代工业的需要。
因此，研制新型气体传感器具有重要的现实意义。
2. 新型气体传感器的研发状况目前，研制新型气体传感器的方式主要有两种，一种是基于半导体气敏材料的传感器，另一种是基于纳米技术的传感器。
前者的代表是热电效应传感器和热导率传感器，后者的代表是纳米金属氧化物气敏材料。
2.1 基于半导体气敏材料的传感器半导体气敏传感器也被称为化学传感器，它是利用半导体气敏材料在与目标气体接触后，其电学性质发生变化来检测气体的。
这种传感器具有灵敏度高、响应速度快、成本低等优点，并且不需要灵敏部件，因此可以制成小型化的传感器，非常适合在工业领域中应用。
但是，这种气敏材料通常是一些普通的半导体材料，如二氧化锡、氧化锌等，因此在识别某些特定气体时会存在一定的误判，需要进行后期的精确校准。
2.2 基于纳米技术的传感器纳米气体传感器是一种新型气体传感器，它主要是利用纳米气敏材料中的表面效应来检测目标气体。
由于纳米颗粒具有更大的比表面积，因此可以更有效地吸附目标气体，从而提高检测的灵敏度和选择性。
纳米气敏材料通常由二氧化钛、二氧化锆等多种金属氧化物材料组成，这些材料具有稳定的化学特性和良好的机械稳定性，同时也具有较高的表面活性。
在纳米气体传感器的制备过程中，需要进行复杂的工艺控制和表面修饰，才能获得更高的检测精度和稳定性。
3. 新型气体传感器的应用研究新型气体传感器的研制将为工业领域的气体监测和安全保障提供更好的手段。
目前，在以下几个方面中，新型气体传感器的应用研究已经取得了一定的进展。
3.1 工业安全监测气体传感器是制造业和化学工业生产过程中的关键设备之一。
新型气体传感器可以实现对重要气体的实时监测和检测，为工厂生产过程的安全保障提供重要帮助。
一种气体传感器及传感器阵列[实用新型专利]
![一种气体传感器及传感器阵列[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/72520d02172ded630a1cb67a.png)
专利名称：一种气体传感器及传感器阵列专利类型：实用新型专利
发明人：许磊,彭书峰,陈栋梁,荣钱,周睿颖申请号：CN201920815544.1
申请日：20190531
公开号：CN210136193U
公开日：
20200310
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型实施例公开了一种气体传感器及传感器阵列，能够减少引线损伤。
所述气体传感器包括：第一衬底，设置在所述第一衬底上的气体检测组件、所述气体传感器的多个第一引脚，以及用于保护所述气体检测组件的封装盖帽，其中：所述气体检测组件直接或间接通过电极引线与所述第一引脚电连接，所述气体检测组件、所述电极引线和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面；所述封装盖帽键合在所述第一衬底上，所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。
采用本实用新型实施例可以减少电极引线的弯折，使制成的传感器信号稳定、噪声小，同时简化加工工艺，降低制造周期和成本。
申请人：合肥微纳传感技术有限公司
地址：230088 安徽省合肥市高新区创新大道2800号创新产业园二期F3楼16层1608-1610室国籍：CN
代理机构：北京安信方达知识产权代理有限公司
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新型气体传感器的开发与应用
新型气体传感器的开发与应用一、引言随着科技的不断发展，传感器已经成为了现代工业生产中不可或缺的重要组成部分。
随着气体传感技术的不断提高，新型气体传感器应运而生，得到了广泛的应用。
本文将介绍新型气体传感器的开发与应用。
二、新型气体传感器的定义和分类新型气体传感器指的是相对于传统气体传感器而言，具有更高的精度、更好的稳定性、更广泛的适应能力和更便于应用的气体传感器。
新型气体传感器按照不同的性能、应用范围和工作原理可以分为多种类型，如：1. 热导式气体传感器热导式气体传感器是利用气体的热导率测量气体浓度的一种传感器。
当电流通过导热环路时，由于导热环路中气体电导率较低，而气体温度与电导率呈反比例关系，因此可以通过测量电流与环路温度的关系，确定气体的浓度。
2. 光学式气体传感器光学式气体传感器是利用气体分子对特定波长的光线进行吸收或散射的特性来测量气体浓度的传感器。
它具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、量程宽等优点，被广泛应用于环境监测、工业生产和医学诊断等领域。
3. 电化学式气体传感器电化学式气体传感器利用气体与电极之间的化学反应来测量气体浓度的传感器。
该类型的传感器具有响应速度快、灵敏度高、分辨率高等优点，广泛应用于空气质量监测、工业安全生产和医学诊断等领域。
以上只是新型气体传感器的部分类型，随着技术的不断提高和应用需求的不断增加，新型气体传感器的类型将变得更加多样化和复杂化。
三、新型气体传感器的应用领域新型气体传感器有广泛的应用领域，如：1. 空气质量环境监测空气质量环境监测是新型气体传感器的主要应用领域之一，主要用于监测空气中的有害气体浓度，如二氧化硫、一氧化碳、臭氧等。
目前，各个城市对空气质量的要求越来越高，对新型气体传感器的需求也越来越大。
2. 医疗诊断新型气体传感器也被广泛应用于医疗诊断领域，例如用于检测麻醉气体、呼气中的氧浓度、肺功能等。
新型气体传感器不仅能够准确测量气体浓度，而且可靠、精确、无创。
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ppm：parts per million 1ppm=1mg/kg=1mg/L =1×10-6 1ppb= 1×10-9
电子科技大学
敏感材料与传感器 课程组
制作
7.1.1 气体传感器基本概念
制作
7.1.1 气体传感器基本概念 气体传感器：是指能将被测气体浓度转换为 与其成一定关系的电量输出的装置或器件。
ګ
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ګ ګ ګ
体积小
灵敏度高
携带方便
智能程度高
可远距离探测
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电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组
……
制作
7.1.1 气体传感器基本概念
气体传感器必须满足下列条件：
干 式
固体电介质式 （ZrO2）
一种以离子导体为 电解质的化学电池
气敏元件
当红外光通过待测气体时， 气体分子对特定波长的红 外光有吸收，通过光强的 变化测试气体浓度
红外线吸收式 导热率变化式（热线，热敏电阻）
湿 式
以固定电位电解式为代表 （极谱式，原电池式）
电子科技大学
敏感材料与传感器 课程组
制作
7.2 气体传感器敏感机理
制作
7.2 气体传感器敏感机理
若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，
则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。
具有这种性质的气体称为氧化性气体，例如，O2，NOx等。
若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被
吸气体将把电子给予元件而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸 附性质的气体称为还原性气体，如H2，CO, HC和乙醇等。
电子科技大学
BaTiO3的晶体结构示意图
敏感材料与传感器 课程组
制作
7.2 气体传感器敏感机理
1. 整体原子价控制理论
铁酸盐复合氧化物（P-MFe2O4）的气敏机理模型
表面Fe3+被还原成Fe2+，由于还 原性气体的离解作用，使晶体 结构中的电价配置和缺陷发生 变化，导电的三维网络某一部 分被切断，电阻升高
从材料设计的角度揭示决定传感器性能的三个关键因素：
识别功能—待测气体在敏感材料表面上的反应或吸附
比表面积、氧化活性、表面酸碱度等
转换功能—化学量向电学量（电阻）的转换能力
敏感材料的迁移率、晶粒尺寸等
敏感体的利用效率 —在待测气氛中敏感体电阻
变化部分占整个敏感体的比率 敏感材料的多孔性、催化活性及待测气体的 扩散系数等电子科技大学来自敏感材料与传感器 课程组
制作
7.2 气体传感器敏感机理
3. 表面电荷层理论
在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附 不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级空间电荷层。
从化学键模型角度，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价 键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施 主杂质和受主杂质。
气体传感器必须满足下列条件：
对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；
交叉敏问题
电子鼻
性能长期稳定性好；
氧气、水汽、灰尘等影响
响应迅速、重复性好； 维护方便、价格便宜等。
封装
标准的TO-5金属封装
电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作
7.1.2 气体传感器的分类
接触燃烧式 基于强催化剂使气体在传感器表面燃 烧产生热量，使传感器温度上升，导 致贵金属电极电导随之变化。 半 导 体 式 半导体陶瓷型 厚膜型 薄膜和微粒子型
氧化性气体： 表面能级 气体分子 EF 还原性气体： EF 吸取电子 气体分子 提供电子
电子科技大学
阴离子 吸附
电荷层电导率
表面能级
阳离子 吸附
制作
电荷层电导率
敏感材料与传感器 课程组
7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论
根据多晶半导体能带模型而提出
半导体 晶粒
晶粒界面：界面势垒
半导体 晶粒
还原性气体
Fe3+
Fe2+
吸附氧俘获电子，表层空穴 浓度进一步增加，表面层电 阻下降
吸附氧
原始态P型-MFe2O4
电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作
7.2 气体传感器敏感机理
2. 能级生成理论
还原性气体 束缚空穴
给电子
R
N型半导体 （SnO 、ZnO等）
2
氧化性气体
给空穴
减少导带电子数
R
电子科技大学
敏感材料与传感器 课程组
制作
7.2 气体传感器敏感机理
1. 整体原子价控制理论
本理论适用于钙钛矿型原子 价控制复合氧化物； 用 ABO3 一般式来表示钛矿型 氧化物，其导电过程是通过B 元素与氧组成的三维网孔状 结构进行的； 气体的离解作用可以把网状 构造的某一部分切断，一旦 发生这种现象，复合氧化物 的电阻值将显著增加。
7.3.1 有机/无机纳米复合薄膜气体传感器的
第七章
新型气体传感器及阵列
电子科技大学
敏感材料与传感器 课程组
制作
目 录
7.1 概 述
基础
7.2 气体传感器敏感机理 7.3 新型气体传感器及阵列
加深概念
领域前沿
科研思路
电子科技大学
敏感材料与传感器 课程组
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7.1 概 述
7.1.1气体传感器基本概念 7.1.2 气体传感器的分类
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导带 多晶硅薄膜SEM图 禁带 价带
N型半导体
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7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论
晶粒界面
半导体 晶粒 半导体 晶粒
电子接受型 气体：O2
半导体 晶粒
晶粒界面
半导体 晶粒
导带 禁带 价带
氧化性气体 吸取电子
导带
++
++
禁带 价带
势垒
N型半导体
——国际著名传感器专家N. Yamazoe建立的氧化物半导体气体传感器的理论框架
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7.2 气体传感器敏感机理
半导体气体传感器四种模式的气敏机理 1. 整体原子价控制理论 2. 能级生成理论 3. 表面电荷层理论 4. 接触粒界势垒理论
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7.2 气体传感器敏感机理
4. 接触粒界势垒理论
晶粒界面
半导体 晶粒 半导体 晶粒
电子供给型 气体：NH3
半导体 晶粒
晶粒界面
半导体 晶粒
导带 禁带 价带
还原性气体 提供电子
导带
势垒
++
++ 禁带
价带
N型半导体
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7.3 新型气体传感器及阵列