气敏传感器ppt分析
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6.1气敏传感器基本原理及测量电路.pptx
阻的特性影响很大，因此加热器的加热电压必须恒定。 如前所述，MQN型气敏传感器使用时气敏电阻工作时必须加热到200300℃，
其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁 作用）。
— 20 —
8. 气体检测使用注意事项
2）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电
测量转换电路
据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了
测量误差。
汽车尾气分析
二氧化钛氧浓度传感器可 用于汽车或燃烧炉排放气 体中的氧浓度测量。
观察右图看说明非线性特性对 浓度超限报警是否有利？
气敏半导体的灵敏度特性曲线
— 18 —
— 19 —
8. 气体检测使用注意事项
1）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电
阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会 不同，需要进行温度补偿。
如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电 阻Rt 起温度补偿作用。
— 21 —
8. 气体检测使用注意事项
• 温度补偿中实用的热敏电阻工作原理 • 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测
气敏传感器类型：
半导体气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 电化学气敏传感器
2.气敏传感器外形
— 5—
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。
— 6—
其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁 作用）。
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8. 气体检测使用注意事项
2）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电
测量转换电路
据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了
测量误差。
汽车尾气分析
二氧化钛氧浓度传感器可 用于汽车或燃烧炉排放气 体中的氧浓度测量。
观察右图看说明非线性特性对 浓度超限报警是否有利？
气敏半导体的灵敏度特性曲线
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8. 气体检测使用注意事项
1）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电
阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会 不同，需要进行温度补偿。
如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电 阻Rt 起温度补偿作用。
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8. 气体检测使用注意事项
• 温度补偿中实用的热敏电阻工作原理 • 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测
气敏传感器类型：
半导体气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 电化学气敏传感器
2.气敏传感器外形
— 5—
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。
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《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。
《气体传感器简介》课件
复合材料
通过组合不同材料的优点 ，实现气体传感器性能的 优化。
智能化与网络化的发展
智能化
通过集成微处理器和算法，实现气体 传感器的自动校准、数据分析和远程 控制等功能。
网络化
将气体传感器接入互联网，实现数据 的实时传输、远程监控和跨区域的数 据共享。
在环保监测领域的应用前景
大气污染监测
用于监测空气中的有害气 体和温室气体，为环境保 护提供数据支持。
详细描述
电化学气体传感器利用气体在电极表面发生的电化学反应来检测气体的浓度。这种传感器通常由至少两个电极组 成，其中一个电极是敏感电极，能够与被测气体发生反应，另一个电极作为参照电极。通过测量电化学反应产生 的电流或电压来计算气体的浓度。
光学气体传感器
总结词
基于不同气体对光的吸收或反射不同的原理进行检测。
详细描述
光学气体传感器利用不同气体对特定波长的光具有不同的吸收或反射特性，通过测量光通过气体时发 生的变化来检测气体的浓度。这种传感器通常由光源、光路和检测器组成，通过测量光强的变化来计 算气体的浓度。
固态电解质气体传感器
总结词
基于气体在固态电解质中的离子传导性 能不同的原理进行检测。
VS
详细描述
工作原理
电化学传感器
利用电化学反应检测气体，通 过测量电流或电压变化来推断
气体浓度。
半导体传感器
利用气敏材料的电阻变化来检 测气体，当气体与敏感材料接 触时，电阻发生变化，从而检 测气体浓度。
红外传感器
利用红外线吸收原理检测气体 ，通过测量气体对红外线的吸 收程度来推断气体浓度。
催化燃烧传感器
利用催化燃烧原理检测气体， 当气体与敏感材料接触时，发 生催化燃烧反应，从而检测气
气敏传感器公开课ppt知识讲稿
气敏传感器公开课ppt知 识讲稿
• 气敏传感器概述 • 气敏传感器的技术原理 • 气敏传感器的应用实例 • 气敏传感器的发展趋势与挑战 • 结论
01
气敏传感器概述
定义与工作原理
定义
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它能将气体种类和浓度信息转换成 电信号，以便进一步处理和控制。
工作原理
气敏传感器的工作原理主要是基于不同气体对传感器材料的吸附、反应或化学 变化，从而改变传感器的电阻、电容、电感等参数，最终输出电信号。
01
02
03
原理
利用敏感材料吸附气体分 子后，其电阻值发生变化， 通过测量电阻值来检测气 体浓度。
敏感材料
金属氧化物、导电聚合物 等。
应用场景
广泛应用于可燃气体、有 毒气体、酒精等检测。
非电阻型气敏传感器
原理
利用敏感材料吸附气体分子后，其电 导率、电容、频率等参数发生变化， 通过测量这些参数来检测气体浓度。
敏感材料
应用场景
广泛应用于二氧化碳、湿度、氧气等 检测。
半导体金属氧化物、高分子材料等。
气敏传感器的性能参数
灵敏度
指传感器输出变化量与 输入变化量之比，越高
越好。
响应时间
稳定性
选择性
指传感器输出变化达到 稳定值所需的时间，越
短越好。
指传感器在长时间内保 持性能参数不变的能力，
越强越好。
指传感器对不同气体的 敏感程度，越高越好。
隐患。
工作原理
气敏传感器通过敏感材料吸附烟雾 颗粒，并检测其电阻变化来探测烟 雾。
应用场景
家庭、办公室、工厂、仓库等场所 的火灾预警系统。
天然气泄漏检测
天然气泄漏检测
• 气敏传感器概述 • 气敏传感器的技术原理 • 气敏传感器的应用实例 • 气敏传感器的发展趋势与挑战 • 结论
01
气敏传感器概述
定义与工作原理
定义
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它能将气体种类和浓度信息转换成 电信号，以便进一步处理和控制。
工作原理
气敏传感器的工作原理主要是基于不同气体对传感器材料的吸附、反应或化学 变化，从而改变传感器的电阻、电容、电感等参数，最终输出电信号。
01
02
03
原理
利用敏感材料吸附气体分 子后，其电阻值发生变化， 通过测量电阻值来检测气 体浓度。
敏感材料
金属氧化物、导电聚合物 等。
应用场景
广泛应用于可燃气体、有 毒气体、酒精等检测。
非电阻型气敏传感器
原理
利用敏感材料吸附气体分子后，其电 导率、电容、频率等参数发生变化， 通过测量这些参数来检测气体浓度。
敏感材料
应用场景
广泛应用于二氧化碳、湿度、氧气等 检测。
半导体金属氧化物、高分子材料等。
气敏传感器的性能参数
灵敏度
指传感器输出变化量与 输入变化量之比，越高
越好。
响应时间
稳定性
选择性
指传感器输出变化达到 稳定值所需的时间，越
短越好。
指传感器在长时间内保 持性能参数不变的能力，
越强越好。
指传感器对不同气体的 敏感程度，越高越好。
隐患。
工作原理
气敏传感器通过敏感材料吸附烟雾 颗粒，并检测其电阻变化来探测烟 雾。
应用场景
家庭、办公室、工厂、仓库等场所 的火灾预警系统。
天然气泄漏检测
天然气泄漏检测
气体传感器PPT演示文稿
多采用烧结工艺，以多孔SnO2陶瓷为基底材料，再添加不同 的其他物质，用制陶工艺烧结而成，烧结时埋入加热电阻丝和测 量电极。此外，还有薄膜型与厚膜型两种工艺。
烧结型
电极(铂丝) 氧化物半导体
加热 器 玻璃(尺寸 约1 mm，也有 全为
半导 体的 ) (a)
半导 体 0.5 mm 电极
厚膜型
3 mm
0.6 mm
(b)
a b
V (c)
Schottky二极管
通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层 无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金 属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。
9
2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.2 MOSFET型气敏器件
气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改 变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值 电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。
当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液 中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。
高浓度氧 O2
低浓度氧 O2
设电极的氧分压分别为PO2 (1)、PO2 (2) ，则
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
电路可以测出氢气浓度。
氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性
11
3 固体电解质气体传感器
固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，
烧结型
电极(铂丝) 氧化物半导体
加热 器 玻璃(尺寸 约1 mm，也有 全为
半导 体的 ) (a)
半导 体 0.5 mm 电极
厚膜型
3 mm
0.6 mm
(b)
a b
V (c)
Schottky二极管
通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层 无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金 属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。
9
2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.2 MOSFET型气敏器件
气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改 变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值 电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。
当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液 中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。
高浓度氧 O2
低浓度氧 O2
设电极的氧分压分别为PO2 (1)、PO2 (2) ，则
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
电路可以测出氢气浓度。
氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性
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3 固体电解质气体传感器
固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，
气敏传感器公开课ppt教材
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：
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。
(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
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。
最新7.2气敏传感器解析ppt课件
• 4、稳定性：当检测的气体浓度不变时，气敏元件的 输出也应保持不变，但实际情况会受其他条件的变化 影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元 件的输出特性保持不变的能力，称为稳定性。
• 5、温度特性：气敏元件的特性随温度的变化而发生 变化的特性称为温度特性，消除这种影响的方法是采 用温度补偿。
由等效电路可知，总电容C
也是栅偏压的函数。其函数 关系称为该类MOS二极管的 C—V特性。由于钯对氢气 (H2)特别敏感，当钯吸附了 H2以后，会使钯的功函数降 低，导致MOS管的C – V特 性向负偏压方向平移，如右 图(c)所示。根据这一特性就 可用于测定H2的浓度。
一、Pd-MOSFET气敏传感器
三、接触燃烧式气体传感器
• 1、结构：管芯、支架、引脚组成。 • 2、原理：敏感材料铂丝遇到空气中的可燃气体时，由
于可燃气体与氧发生氧化反应，产生反应热，使铂丝 温度升高，具有正温度系数的铂丝电阻会相应增大， 而铂丝电阻值的增大量与可燃气体的浓度成正比。这 样只要测出铂丝的电阻增大量就能检测出空气中的可 燃气体浓度。 • 可以检测常见的可燃气体，如H2、CO、CH4、丙酮、 丙烷等。在低温度时，输出信号与可燃气体的浓度之 间具有良好的线性关系，而不受空气中水蒸气的影响。
(G)、源极(S)之间加正向偏压VGS，且VGS＞VT(阈值电压)
时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。这个N型区就 将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N型沟道， MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)漏(D)极之间加
电压VDS，则源极和漏极之间有电流(IDS)流过。IDS随VDS和 VGS 的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的V-A特性。 当VGS＜VT时，MOSFET的沟道未形成．故无漏源电流。
• 5、温度特性：气敏元件的特性随温度的变化而发生 变化的特性称为温度特性，消除这种影响的方法是采 用温度补偿。
由等效电路可知，总电容C
也是栅偏压的函数。其函数 关系称为该类MOS二极管的 C—V特性。由于钯对氢气 (H2)特别敏感，当钯吸附了 H2以后，会使钯的功函数降 低，导致MOS管的C – V特 性向负偏压方向平移，如右 图(c)所示。根据这一特性就 可用于测定H2的浓度。
一、Pd-MOSFET气敏传感器
三、接触燃烧式气体传感器
• 1、结构：管芯、支架、引脚组成。 • 2、原理：敏感材料铂丝遇到空气中的可燃气体时，由
于可燃气体与氧发生氧化反应，产生反应热，使铂丝 温度升高，具有正温度系数的铂丝电阻会相应增大， 而铂丝电阻值的增大量与可燃气体的浓度成正比。这 样只要测出铂丝的电阻增大量就能检测出空气中的可 燃气体浓度。 • 可以检测常见的可燃气体，如H2、CO、CH4、丙酮、 丙烷等。在低温度时，输出信号与可燃气体的浓度之 间具有良好的线性关系，而不受空气中水蒸气的影响。
(G)、源极(S)之间加正向偏压VGS，且VGS＞VT(阈值电压)
时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。这个N型区就 将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N型沟道， MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)漏(D)极之间加
电压VDS，则源极和漏极之间有电流(IDS)流过。IDS随VDS和 VGS 的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的V-A特性。 当VGS＜VT时，MOSFET的沟道未形成．故无漏源电流。
新型传感器原理及应用ppt课件
半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型 半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。
5.1 气敏、湿敏传感器
2) 正特性湿敏半导瓷的导电原理 正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不 同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导 致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空 穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导 瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
5.1 气敏、湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这 些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷， 最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半导瓷)。
1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2OV2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3
Fe3O4半导瓷正湿敏特性图
5.1 气敏、湿敏传感器
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸 附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降， 将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若 该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表 面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的 空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度， 出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以 在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型
5.1 气敏、湿敏传感器
2) 正特性湿敏半导瓷的导电原理 正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不 同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导 致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空 穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导 瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
5.1 气敏、湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这 些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷， 最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半导瓷)。
1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2OV2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3
Fe3O4半导瓷正湿敏特性图
5.1 气敏、湿敏传感器
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸 附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降， 将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若 该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表 面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的 空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度， 出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以 在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型
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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。
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
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。
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
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）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气敏元件寿 命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 （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。 （ 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。
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
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）。
• 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。
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。
(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
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
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。
(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。
气敏传感器
电子科学学院 仪器科学与技术
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
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
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：
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。
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
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
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