电阻式半导体气体传感器

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影响气敏特性的六个因素
1. 2.
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3. 4. 5. 6.
气敏材料不是单晶体；应该包括：… 为了改善气敏元件的选择性和灵敏度，一般往金属 氧化物中添加催化剂和其他氧化物，为提高元件强 度还需要添加粘合剂； 利用的是物质的表面； 表面与界面问题 元件工作在较高温度下(一般为200~400℃)；? 被测气体种类繁多，它们各有不同的特性； ? 吸附过程本身比较复杂，既有物理吸附，又有化学 吸附等。 讨论敏感机理
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工作温度 室温~450℃ 300～ 450℃ 700 ℃以上
代表性被测物质 可燃性气体 酒精 可燃性气体 氧气 硫醇 氢气，一氧化碳， 酒精
表面电位 非 电 阻 式 二极管整流特性
室温 室温～200 ℃
晶体管特性
铂栅MOS场效应管
150 ℃
氢气，硫化氢
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电阻式半导体气体传感器

另外，其使用场所以工厂现场和家庭为主，
只是在选择标准方面有些不同。
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气体传感器的分类

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气体传感器从结构上区别可分为两大类：
（1）干式气体传感器
（2）湿式气体传感器。

凡构成气体传感器的材料为固体者均称为 干式气体传感器；

凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称 为湿式气体传感器。
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接触粒界势垒理论(气敏机理之四)

本理论是根据多晶半导体能带模型；
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气体传感器的分类
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气体传感器及气体检测方法
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概念 气体传感器必须满足的条件 当前使用的主要气体检测方法
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气体传感器

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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。
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气体传感器必须满足下列条件
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整体原子价控制理论(气敏机理之一)

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； 氧的解离作用可以把网状构 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。
（2）非电阻式半导体气体传感器
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半导体气体传感器

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半导体气体传感器，是利用半导体 气敏元件同气体接触，造成半导体性
质发生变化，借此检测特定气体的成
分及其浓度。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ导体气体传感器的分类
主要的物理特性 表面控制层 电 阻 式 体控制层 传感器举例 氧化锡， 氧化铅 LaI-xSrxCOO3 r-Fe2O3 氧化钛，氧化钴，氧 化镁，氧化锡 氧化银 铂/硫化镉 铂/氧化钛
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气体传感器
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目录

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概 述 半导体气体传感器 红外吸收式气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 热导率变化式气体传感器 湿式气敏传感器 固体电解质气敏传感器 气体传感器的标定

本章小结
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概
述
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气体传感器及气体检测方法
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半导体气体传感器及其分类 气敏机理 主要特性及其改善 表面控制型电组式传感器 体控制型电阻式传感器 非电阻式半导体气体传感器 半导体气体传感器的应用
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半导体气体传感器及其分类
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什么是半导体气体传感器？ 半导体气体传感器的分类
(1) 电阻式半导体气体传感器
(1)能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度
相其它基准设定浓度．并能及时结出报警、显示和控
制信号；
(2)对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；
(3)性能长期稳定性好；
(4)响应迅速，重复性好；
(5)维护方便，价格便宜等。
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各种检测方法的选择问题

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一般情况下，要检测的气体种类是已知的。 因此，检测方法的选择范围自然就缩小了。

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电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化 锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用 其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件
是多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制
的薄膜等
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非电阻式半导体传感器

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根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体 进行直接或间接检测。
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表面电荷层理论(气敏机理之三)

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。 表面能级与金属氧比物本体能带之间有电 子的接受关系，因而形成表面的空间电荷
层。

由于吸收不同种类气体之后空间电荷层变 化，从而引起气敏元件电阻值的变比。

目前，正在积极开发的有金属／半导体结型二极管和金 属栅的 MOS 场效应晶体管的敏感元件，主要是利用它
们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成
对表面电位直接测定的传感器。
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气敏机理

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影响气敏特性的六个因素 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


BaTiO3的晶体结构示意图
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能级生成理论(气敏机理之二)



以SnO2、ZnO等半导体传感器的n型半导体为例讨论 这种理论； n型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交 给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入 n 型半 导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，使空穴与 导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上 是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。 与此相反，若 n型半导体吸附氧化性气体时，气体以 负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，其结束是使 导带电子数目减少，而使元件电阻值增加。
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气体传感器的分类
半 导 体 式
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接触燃烧式 半导体陶瓷型 厚膜型 薄膜超和微粒子型
干 式 气敏元件
固体电介质式 （ZrO2—C2O) 红外线吸收式 导热率变化式（热线，热敏电阻） 以固定电位电解式为代表 （极谱式，原电池式）
湿 式
检测方法？
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半导体气体传感器