气敏传感器公开课ppt

(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
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。
B
R
~220V 氖管 气敏传感器
BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可 以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体 成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、 矿山、家庭、娱乐场所等。
家用燃气泄漏报警器
案例1.燃气报警器
下图是一种最简单的家用气体报警器电路。气-电转换器件采 用测试回路高电压的直热式气敏元件TGS109。当室内可燃性气体增 加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经 回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。 设计报警时，应合理选择开始报警浓度，选低了，灵敏度高， 容易产生误报；选高了，又容易造成漏报，起不到报警效果
图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号
2. 非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。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。
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。
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
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。
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。
器件电阻 / k 响应时间约1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
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。
LPG，CO，城市煤气，酒精
使用温度（℃） 200～300 200～300 200～300 250～300 250～400
酒精，丙酮
酒精系可燃性气体 还原性气体 还原性气体 碳氢系还原性气体
250～300 500～800 200～300
（4） SnO2气敏元件易受环境温度和湿度的影响，上图给出 了 SnO2气敏元件受环境温度、湿度影响的综合特性曲线。 由于环境温度、湿度对其特性有影响，所以便用时，通常 需要加温度补偿。
1. SnO2系
（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 R C 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。 1 1 m 为气体的分离度，随气体浓度变化而变 m 3 2 化，对于可燃性气体， 。 在气敏材料SnO2中添加铂(Pt)或钯(Pd)等作为催化剂，可以提高其灵 敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作 温度都将影响元件的选样性。
(2)、辅助电路 由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等)，在
设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元
件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻 值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致
漏报现象。
(3)、检测工作电路 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。
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
半导体 电极(铂丝) 氧化物半导体 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 )
(b )
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
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：
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。
2．ZnO(氧化锌)系气敏元件 ZnO 系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度比 SnO2 系气敏元件约高 100 ℃左右，因此不及 SnO2 系元件应用普遍。同样 如此，要提高 ZnO系元件对气体的选择性，也需要添加 Pt和Pd等添加剂。 例如．在 ZnO 中添加 Pd ，则对 H 2 和 CO 呈现出较高的灵敏度；而对丁烷 (C4H10)、丙烷(C4H8)、乙烷(C4H6)等烷烃类气体则灵敏度很低，如下图(a) 所示。如果在 ZnO 中添加 Pt，则对烷烃类气体有很高的灵敏度，而且含 碳量越多、灵敏度越高，而对H2和CO气体则灵敏度很低，如下图(b)所示。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测 现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以 其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反 应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。因此，对气敏 元件有下列要求：
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
（ 2 ） SnO 2 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气敏元件 寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 （ 3 ） SnO 2 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。 （ 4 ）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良 好。 （ 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。
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
图 9-1 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
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 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，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， SnO2中氧空位多，气敏效应明显。 （2）SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明， SnO 2 中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。 表7-3列出了具有不同添加物质的 SnO 2 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， 对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。
气敏传感器的作用相当于我们的 气体，并判定气体的浓度，从而
鼻子，可“嗅”出空气中某种特定的 实现对气体成分的检测和监测，
以改善人们的生活水平，保障人们
的生命。
化工
环境污染、火灾报警
பைடு நூலகம்煤矿
一、与气敏相关的基本概念
气体浓度的表示？
对环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种： 1、质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量 数，即mg/m3 2、体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的 体积数，即ppm 大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度 （ppm）。而按中国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度
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
• 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 呈现电荷层。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石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、 乙烷、煤气、天然气、氢气等。 它们被称为还原型气 体或电子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电 子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。
SnO2 烧结体 1 2 3 4 Ir—Pd 合金丝 (加热器兼电极) (a ) 1 3 1 3
2
4 (b )
2 4
图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示
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
表7-1 半导体气敏元件的分类
• 基本原理
– 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。
– 半导体气敏材料吸附气体的能力很强。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）。