电阻型半导体气体传感器的概况
半导体可燃气体探测器原理
半导体可燃气体探测器原理引言：半导体可燃气体探测器是一种常见的气体检测仪器，广泛应用于工业、家庭和公共场所。
它可以快速、准确地检测可燃性气体的浓度，从而及时采取措施防止火灾和爆炸事故的发生。
本文将介绍半导体可燃气体探测器的工作原理。
一、半导体传感器原理半导体可燃气体探测器的核心部件是半导体传感器。
半导体传感器由两个电极、气敏元件和电路组成。
气敏元件通常由金属氧化物或半导体材料制成。
当可燃气体进入传感器内部，会与气敏元件表面发生化学反应，改变元件的电学特性。
二、电阻式传感器工作原理电阻式传感器是半导体可燃气体探测器中最常见的一种。
它的工作原理基于气敏元件的电阻随着气体浓度的变化而改变。
当没有可燃气体存在时，气敏元件的电阻保持在一个相对稳定的范围内。
但当有可燃气体进入传感器时，气敏元件的电阻会发生明显变化。
这是因为可燃气体与气敏元件表面的化学反应导致电子的输运性质发生改变，进而影响电阻值。
三、工作原理详解半导体传感器的工作原理可以分为两个阶段：加热阶段和检测阶段。
1. 加热阶段：半导体传感器的加热阶段是为了提高传感器的灵敏度和稳定性。
加热电路会通电产生热量，使传感器的工作温度升高到一定范围。
在这个温度下，传感器的电阻值保持在一个相对稳定的范围内。
2. 检测阶段：当加热阶段完成后，传感器进入检测阶段。
此时，可燃气体进入传感器并与气敏元件表面发生化学反应。
这种化学反应会改变气敏元件的电阻值。
探测器内部的电路会测量和记录电阻值的变化，并将其转化为相应的气体浓度。
四、工作特点半导体可燃气体探测器具有以下特点：1. 灵敏度高：半导体传感器对可燃气体具有很高的灵敏度，能够快速、准确地检测低浓度的可燃气体。
2. 响应速度快：半导体可燃气体探测器的响应时间一般在几秒钟到几分钟之间，可以实时监测气体浓度的变化。
3. 使用方便：半导体可燃气体探测器体积小巧、重量轻，便于携带和安装。
同时，它的操作简单，不需要复杂的调试和维护。
气体检测仪中的半导体式气体传感器优缺点
气体检测仪中的半导体式气体传感器优缺点气体传感器是一种能够探测周围环境中气体浓度的装置。
气体传感器广泛应用于环境监测、安全检测、医疗检测等领域。
根据不同的测量原理，气体传感器可以分为多种类型，其中半导体式气体传感器是比较常见的一种类型。
半导体式气体传感器的工作原理半导体式气体传感器的工作原理与半导体材料中所含的掺杂物有关。
当掺杂物的浓度发生变化时，会改变半导体材料的电学性质，从而影响其导电能力。
因此，通过对半导体材料的电阻变化的测量，可以获取气体浓度信息。
半导体式气体传感器通常是由一个电阻器和一个敏感层组成。
敏感层一般是一层半导体材料，其电阻随着气体浓度的变化而变化。
当敏感层暴露在气体环境中时，气体分子会与敏感层表面发生物理或化学反应，导致敏感层电阻发生变化。
该变化的幅度与被测气体的浓度成正比。
半导体式气体传感器的优点半导体式气体传感器具有以下优点：1. 价格较低相对于其他气体传感器，半导体式气体传感器的价格较为低廉。
这使得它成为大批量生产的理想选择。
2. 灵敏度高由于半导体式气体传感器的敏感层是非常薄的一层材料，因此它具有比较高的灵敏度。
它可以检测非常低浓度的气体，响应速度也比较快。
3. 体积小、重量轻半导体式气体传感器的体积较小、重量较轻，这使得它可以方便地嵌入到各种设备中，如气体检测仪、个人气体监测器等。
半导体式气体传感器的缺点半导体式气体传感器也具有以下缺点：1. 精度较低因为半导体材料的响应可能会受到很多因素的影响，比如温度、湿度以及其他气体的存在等，所以半导体式气体传感器的精度可能会受到一些限制。
2. 只适用于特定的气体半导体式气体传感器的敏感层选择非常重要，不同的敏感层对不同的气体响应有着不同的特性。
因此，如果需要检测多种气体，则需要配备多个不同的半导体式气体传感器。
3. 长期稳定性差半导体式气体传感器受到温度、湿度等因素的影响，同时，由于敏感层接触气体表面的反应并不是一种可逆的过程，因此可能会发生漂移现象，导致长期稳定性较差。
电阻式半导体气体传感器
２０ ０ ６芷
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉｓ ｍ ｅ ｎ ｔ ａｍ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｅｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓｒ
２ｏ ０６
Ｎｏ ７ ．
第 ７期
电 阻式 半 导体 气 体 传 感 器
张 强， 自生 管
ｆｂ ｃｔ ｎｏ ａ ｅ ｓｒ ｄｍｅｈｄ ｃｅ ｉｇｓｎｉｖｔ ｒ ｔ ｄ ｃ ｄｉ ｅａｌ ｅｐ ｃｉｅｙ ａｅ ｎｔｅｓ ｄｅ ｌ ｅｄ ａ Ｈ ａｏ ｇｓｓｎｏ ａ ｔｏ ｓｏ ｉ ｒａ ｎ ｅｓｔ ｉ ｗｅｅｉ ｒ ｕ ｅ ｎｄ ｔｉ，ｒｓ ｅｔ ｌ．Ｂ ｓｄｏ ｔ ｉｓｉ ｔｉ ｆ ｌ， ｉ ｆ ｓｎ ｆ ｎ ｓ ｉ ｙ ｎｏ ｖ ｈ ｕ ｎ ＩＳｉ
中图分类号 ：Ｎ ０ ；Ｐ １ Ｔ ３４Ｔ ２２
文ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ标识码 ： Ｂ
文章 编号 ：１２ ８１２ ０ ） ７ ０ ０ —０ １０ —１４ （０ ６ｃ — ０６ ４ ３ ｒ
Ｇａ ｅ ｓ ｒ ｆＥ ｅ ｔｉ ｓｓａ ｃ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｓＳ ｎ ｏ ｓｏ ｌｃｒｃＩ ｉｔｎ ｅ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｓ
作用 的方式 同样 也具多样性 ， 因此给 出此类传 感器敏感机 理一
气敏材料作为传感器最 为关键 的一部分 ， 质直接影 响 其性 到传感器 的性能 ， 常见电阻式 敏感 材料见表 １主要分为金 属氧 ， 化物类 、 复合类 、 高分 子类 。其 中 ｓ０、ｎ 、ｅ０作 为 传统 金 ｎ２ＺＯ Ｆ ３ ： 属氧化物及其掺杂类 气敏材料已被广泛研究【］ １， ２ 但在实际应用 中存在选择性差 、 温度高 、 操作 稳定性 差等 问题 ， 近十几年 来对
来看， 半导体气体传感器是应用最为广泛的。半导体传感器包
电阻式半导体气敏传感器的基本性能分析
电阻式半导体气敏传感器的基本性能分析09电本120091004106 成绩：摘要：利用理论分析与参阅相关技术手册，了解电阻式半导体气敏传感器的结构，基本原理，推导气敏传感器的特性参数：电阻值，灵敏度，漂移等。
能够在充分研究理论知识之后，学会简单的应用，设计电路，利用温度补偿降低其对传感器稳定性的影响。
关键词：电阻半导体气敏传感器基本原理特性参数温度补偿The basic performance analysis of Resistance-typesemiconductor gas sensorAbstractAccording to the theoretical analysis, refer to the relevant technical manual to understand the structure of Resistance-type semiconductor gas sensor and it's basic principles. Derive the characteristic parameters of gas sensors,like sensitivity, linearity, drift, selection characteristics.Making full use of the theoretical knowledge , learn simple applications to design a circuit for using the temperature compensation to reduce its impact on the stability of the sensor.Keywords:Resistance-type semiconductorbasic principles characteristic parameters the temperature compensation引言气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。
半导体式气体传感器研究报告
半导体式气体传感器研究报告引言半导体式气体传感器是一种常见且重要的气体检测技术。
它通过半导体材料的导电性质的变化来检测气体的存在和浓度。
本研究报告将对半导体式气体传感器进行全面、详细、完整且深入地探讨。
半导体材料的基本原理在介绍半导体式气体传感器的工作原理之前，我们先来了解一下半导体材料的基本性质。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的物质，它的导电性能可以通过控制其杂质浓度和温度来进行调节。
半导体式气体传感器的工作原理半导体式气体传感器利用半导体材料的导电性质对气体进行检测。
当半导体材料暴露在待测气体中时，气体分子会与材料表面发生反应，改变材料的导电性质。
这种改变可以通过测量电阻、电流或电压的变化来检测。
半导体式气体传感器的优点半导体式气体传感器具有以下几个优点： - 灵敏度高：半导体材料与气体分子之间的反应非常灵敏，可以检测到非常低浓度的气体。
- 响应快速：由于半导体材料的导电性质可以迅速改变，因此半导体式气体传感器具有快速的响应速度。
-成本低廉：半导体材料的制备工艺相对简单，成本较低，因此半导体式气体传感器的价格相对较低。
半导体式气体传感器的应用领域半导体式气体传感器在许多领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域： 1. 工业安全：半导体式气体传感器可以用于检测工厂中的有害气体，及时发现气体泄漏，保障工人的安全。
2. 室内空气质量监测：半导体式气体传感器可以用于监测室内的气体浓度，确保室内空气的质量。
3. 环境监测：半导体式气体传感器可以用于监测大气中的污染物浓度，为环境保护提供数据支持。
半导体式气体传感器的发展趋势随着科技的进步，半导体式气体传感器也在不断发展和改进。
以下是一些半导体式气体传感器的发展趋势： - 小型化：随着集成电路技术的不断发展，半导体式气体传感器越来越小型化，可以方便地集成到各种设备中。
- 多功能：未来的半导体式气体传感器有望实现多功能集成，可以同时检测多种气体。
简述半导体气体传感器工作原理
简述半导体气体传感器工作原理
半导体气体传感器是一种常见的气体检测设备，它可以检测空气中的各种气体浓度，如甲醛、二氧化碳、一氧化碳等。
其工作原理是基于半导体材料的电学性质，通过测量半导体材料的电阻变化来检测气体浓度。
半导体气体传感器通常由两个电极和一个半导体材料组成。
当气体分子进入半导体材料时，它们会与半导体材料中的自由电子或空穴发生反应，导致电子或空穴的浓度发生变化。
这种反应会导致半导体材料的电阻发生变化，因此可以通过测量电阻变化来检测气体浓度。
半导体气体传感器的灵敏度和选择性取决于半导体材料的种类和结构。
常见的半导体材料包括二氧化锡、氧化锌、氧化铟等。
这些材料的电学性质会随着气体分子的种类和浓度发生变化，因此可以通过选择不同的半导体材料来实现对不同气体的检测。
半导体气体传感器的优点是响应速度快、功耗低、体积小、成本低等。
它们广泛应用于空气质量监测、工业安全、室内环境检测等领域。
但是，半导体气体传感器也存在一些缺点，如灵敏度受温度和湿度等环境因素影响、选择性较差等。
半导体气体传感器是一种基于半导体材料电学性质的气体检测设备，其工作原理是通过测量半导体材料的电阻变化来检测气体浓度。
它
们具有响应速度快、功耗低、体积小、成本低等优点，但也存在一些缺点。
随着技术的不断进步，半导体气体传感器的性能将会不断提高，应用范围也会更加广泛。
半导体气敏传感器概述、机理、结构和应用
2.含湿量，它表示每千克干空气所含有的水蒸
气量，单位是千克/千克·干空气;
3.相对湿度，表示空气中的绝对湿度与同温度
下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比
。(也就是指在一定时间内，某处空气中所含水
汽量与该气温下饱和水汽量的百分比，用RH表
示。
35
2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳
半导体气 敏 传 感 器概述、机 理、结构和应用
一、概述 二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
2
1.气 敏 传 感 器
一、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。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类别可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体 气敏传感器。
15
1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2 半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2 材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长； 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材 料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一 定限制。
信息检索——半导体气体传感器
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简要说 明书
1、课题相关文献数量变化的比较分析 2、半导体气体传感器的应用研究 3、半导体气体传感器新近的发展
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SDOS 维普《中文科技期刊数据库》 SCI CNKI《中国博士学位论文全文数据库 》 EI CNKI《中国重要会议论文全文数据库 》 IEL CNKI《中国期刊全文数据库 》 ProQuest博硕士论文全文数据库SDOS 《万方数据资源系统》 美国专利商标局和欧洲专利局 中国国家知识产权局的专利选检索词为： 1、气体传感器 （gas sensor） 2、半 1、传感器 2、气体检测
CNKI 跨库检索 SDOS 维普《中文科技期刊数据库》 SCI 《万方数据资源系统》 EI Google 美国专利商标局和欧洲专利局
一、课题简介及选题背景、意义 二、中英文数据库及搜索引擎的确定 三、反映课题内容的检索词 四、不同数据库的检索策略和结果 五、对检体气体传感器的一些基本知识和相关 资料，如半导体气体传感器概念、应用、研发意 义等。得到如下信息： 概念 应用 意义
本课题以半导体气体传感器的研究及应用为对象，学 科分类主要为自动化技术及设备领域，根据《中国图书馆 图书分类法》的类目设置，分类号为TP212.。时间范围是 查找2001-2011年的文献。主要属于文献类检索，文献类型 主要涉及图书、期刊、学位论文、专利、报纸等文献类型。 成员分工协作，双管齐下，同时进行中、外文的查找。
2024年ZnO气体半导体传感器简单介绍
非 金属／半导体结 Pd／CdS、Pd／Ti02、 Pd／
电
ZnO、Pt／Ti02、 Au／Ti02等
阻
式 Pd—MOS
Pd—MOS
H2、CO、SiH4等 H2、CO、SiH4等
AET
Pd、Pt、Sn0≥一AET
Cl2、H2S等
FET
Pd—MoSFET
H2、H2S、NH3、 CO等
ZnO等金属氧化物半导体传感器优点
半导体气体传感器分类
类型
半 导 体 气 体 传 感 器
物性
材料
检测气体
电 表面控制型 阻 式
Sn02、ZnO、In203、W03、 V。 CCl：F2、CO、NO、 05、Al2O3、有机半导体等。 NH3、乙醇、丙酮、
甲醛等
体控制型
Y——Fe203、 Q—Fe203、 可燃性气体、O2等 C03O4、SrSnOs、Ti02、 SnQ、 CoO、MnO等
▪ 对温度 和环境湿度的抗干扰能力较差 ▪ 灵敏度较低 ▪ 选择性与稳定性都较差，响应和恢复时 间
比较长
▪ 不同结构器件的功耗较大等
改进方法
ZnO与其他添加剂或催化剂复合，解决 灵敏度不高，选择性不好的缺点。
将ZnO制成薄膜，由于薄膜具有更大的比 表面积，从而可以提高灵敏度，缩短传感 器的响应时间.
(1)器件灵敏度高，检测限低，检测限可达ppm(百万分之一) 数量级，甚至ppb(十亿分之一) 数量级；
(2)响应与恢复时间短，一般都在几秒到几十秒之间； (3)金属氧化物在空气中相对比较稳定，制成的器件可以具
有较长的使用寿命，一般寿命为几年，甚至十年以上； (4)金属氧化物制备简单，来源丰富且无毒，无污染； (5)器件制备容易，成本低廉，适合大范围推广； (6)器件尺寸小，测试装置简单，适合做成便携式检测仪器。
半导体气敏传感器概述、机理、结构和应用
10
1.气 敏 传 感 器
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型 气体吸附到P型半导体上时，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。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
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。
16
1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。
它采用蒸发或溅射工艺，
在石英基片上形成氧化物
ห้องสมุดไป่ตู้
半导体薄膜（其厚度约在
100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法
简单。实验证明，SnO2半 导体薄膜的气敏特性最好，
但这种半导体薄膜为物理
性附着，因此器件间性能 图2 气敏半导体传感器的器件结构
差异较大。
5
1.气 敏 传 感 器
酒精测试仪
呼气管
6
1.气 敏 传 感 器
（2）非电阻型型气敏传感器 主要有二极管、场效应晶体管（FET）和电容型
电阻式半导体气体传感器
电阻式半导体气体传感器1、检测气体的方法包括电化学法、气相色谱法、红外吸收法、接触燃烧法、半导体气体传感器检测法、光纤法半导体传感器包括电阻式气体传感器和非电阻式气体传感器电阻式气体传感器是是利用其阻值变化来检测气体浓度；非电阻式气体传感器是利用一些物理效应也器件特性来检测气体2、（1）电阻式半导体气体传感器敏感材料主要分为金属氧化物、复合材料和高分子材料三种，种类不同，其检测的气体不同（2）气敏材料的敏感机理气体与敏感材料相互作用时电子之间的相互转移（3）根据气敏材料与气体的相互作用分为表面电荷控制型和体原子价态控制型。
表满电荷控制型的工作原理：气敏原件在空气中工作，氧气是强氧化性气体，易在气敏材料表面发生吸附，产生O2-和O-离子，O-离子的活性很高，可以与吸附在器皿材料表面上的还原性气体离子基团反应，产生的电子进入导带，引起气敏材料电阻变化。
对于两性氧化物气敏材料，除了氧吸附外还存在氢氧根吸附。
表面控制型理论实用于较难还原的氧化物以及有机半导体气敏材料,体控制理论则实用于诸如Fe3O4等非计量化学化合物类气敏材料,随着新的气敏材料不断被发现,以上提及的理论将不足以解释所有气敏现象。
3、电阻式半导体气敏传感器的制作方法及改进措施在制作方法上对传感器进行了优化设计，可以综合提高气体传感器的综合性能（1）材料的制备方法气相法主要包括蒸发- 凝聚法和化学气相沉积法、物理气相沉积；液相法是工业上和实验室广泛采用的制备微粒的方法，其主要包括沉淀法、水热法、溶胶- 凝胶法和微乳液法等；固相法是在高温或低温下直接利用固相反应合成材料的一种方法（2）器件的制作器件的外形设计从烧结型、厚模型向薄膜型、硅微结构型、多层型发展。
（3）改进电阻式半导体气体传感器的措施改变材料本身：添加贵金属催化剂和开发新型的气敏材料，改变半导体气敏材料的电阻和敏感特性，改变材料的电导率；设计新型的气体传感器：基于气体传感器的互补反馈和互补增强原理设计新型组合结构，提高传感器的稳定性和选择性；气敏材料的超微粒化增大气敏元件的灵敏度；借助仿生技术，模仿生物嗅觉机能,利用性能彼此重叠的多个化学传感器(简称气体传感器阵列) 和适当模式识别系统来模仿生物，利用仿生技术可以制作有效的识别简单和复杂气味的传感器。
2023年半导体式气体传感器行业市场分析现状
2023年半导体式气体传感器行业市场分析现状半导体式气体传感器是一种基于半导体材料电阻变化原理的气体检测设备。
它具有响应快、体积小、功耗低、成本较低等优势，被广泛应用于环境监测、工业安全、室内空气质量检测等领域。
目前，半导体式气体传感器市场正处于快速发展阶段。
首先，半导体式气体传感器市场正逐渐从传统工业应用扩展到智能家居、汽车、智慧城市等领域。
随着智能家居和智慧城市的快速发展，对气体传感器的需求也日益增加。
例如，智能家居中的室内空气质量检测、燃气检测等需求，都需要使用半导体式气体传感器来实现。
其次，环境污染问题引发了对气体传感器的需求增长。
随着环境污染问题的逐渐加剧，对空气质量、水质等的监测需求也日益增加。
半导体式气体传感器能够快速、准确地检测出环境中的有害气体，因此得到了环保部门和监测机构的广泛应用。
再次，半导体式气体传感器市场竞争激烈，产品更新换代速度快。
随着科技的不断进步，气体传感器技术也在不断创新。
新型材料、新工艺的应用使得气体传感器的性能不断提高，这也使得市场竞争变得更加激烈。
传感器制造商需要不断提升技术实力、降低成本，以获得更大的市场份额。
最后，半导体式气体传感器市场还存在一些挑战。
首先是传感器的可靠性和精度问题。
由于传感器需要在各种环境条件下稳定工作，因此可靠性是一个重要的考量指标。
同时，精度问题也是需要解决的难题。
其次是对新型气体传感器的需求。
随着工业化进程的发展，新型气体传感器市场潜力巨大，但研发周期长、技术难度高，制约了市场的发展。
最后是标准化和市场准入问题。
目前，半导体式气体传感器市场缺乏统一的标准，产品质量和性能差异较大。
同时，市场准入门槛低，导致市场中存在着一些性能不达标的产品。
综上所述，半导体式气体传感器市场目前正处于快速发展阶段。
随着智能家居和智慧城市的发展，环境污染问题的逐渐加剧，气体传感器的需求将进一步增长。
然而，市场竞争激烈，新技术的应用和产品质量的提升依然是面临的挑战。
电阻型半导体气体传感器的概况
１６ 年 半导体金属氧化 物陶瓷气体传感器 问世 以 ９２
０ 引 言
传感技术是当今世界发展最为迅速的高新技术 之一 ， ７ 年代末以来 ， 从 ０ 由于电子计算机技术的高速 发展 ， 以及对智能机器人的需要 ， 世界各国普遍重视
表面控制型气体传感器可分为非加热式（ 自加热 式 ）直热式、 、 旁热式 、 烧结型气体传感器 、 厚膜型气体
《 陶瓷学报｝ ０ １年第 ４期 ２１
传感器及薄膜型气体传感器等【。 ｌ 目前已商 品化的有 蜘
ｓ ０ ，ｎ ｎ ２ Ｏ等。 Ｚ 这里简述其结构、 原理和制造工艺。
的电子 向位于低能级 的吸附粒子转移 ， 结果 ， 吸附粒
极管和 ＭＯ — Ｅ Ｓ Ｆ Ｔ等。 本文主要概述关于 电阻型气体
随着科技水平的发展 ， 气体检测在地震预报 、 矿井安 全、 石油勘探 、 医疗卫生 、 污染源检测 、 化工过程控制 、 冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学
科如生物科学、 电子学 、 微 新型材料等领域均有着越
半导体 的费米能级高的位置 ， 由于主体的吸附 ， 电子
从气体向半导体 侧移 动 ， 附粒子因失去电子带正 吸
电， 成正电荷吸附 ， 能带向与负 电荷吸附相反的方向 弯曲 ， 即向下弯 曲。 正是 由于半导体表面和气体之间
在低温下烧结 。 制作方法简单 ， 但选定烧结温度很重
要。 若烧结温度过低 ， 则元件的机械强度不好； 若烧结
第３ ２卷第 ４期 ２１ ０ ＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲ Ｉ ＡＭ ＣＳ
Ｖ０１３２ ． ．Ｎｏ． ４ Ｄｅ ２０１ ｃ． １
电 阻型半 导体气 体 传感 器 的概 况
半导体烟雾传感器的介绍
半导体烟雾传感器介绍
一、工作原理
半导体烟雾传感器是一种基于半导体材料制成的气体传感器，可以检测空气中某些特定气体的浓度。
其工作原理主要是通过敏感材料（如金属氧化物等）的电阻值变化来检测气体浓度。
当气体接触到敏感材料时，会与材料中的自由电子发生反应，导致材料的电阻值发生变化。
这个变化被转化为电信号，从而实现对气体浓度的检测。
二、特点
1.高灵敏度：半导体烟雾传感器具有高灵敏度，可以检测到低浓度的气体，
如烟雾、一氧化碳等。
2.快速响应：传感器对气体的反应速度很快，可以在短时间内给出检测结果。
3.稳定性好：经过适当的工作条件调整和老化处理，传感器的性能稳定，不
易出现漂移和失真。
4.寿命长：在正常工作条件下，传感器的使用寿命可长达数年。
5.体积小：这种传感器体积小，易于集成到各种设备和系统中。
三、应用领域
1.家庭安全：可以安装在家庭烟雾报警器中，用于检测室内空气中的烟雾和
一氧化碳浓度，保障家庭安全。
2.工业过程控制：可以用于工厂、矿井等场所的气体监测，以确保工作场所
的安全。
3.环境监测：可以用于监测大气、室内空气等环境中的烟雾和有害气体浓度。
4.科研领域：在科研领域，可以利用半导体烟雾传感器研究不同气体对半导
体材料的影响，进一步探索材料物性。
电阻式半导体气体传感器
40
四川省精品课程－传感技术
❖ 图的分析？ ❖ 得到什么信息？什么结论？
41
五、温度、湿度影响及其他问题 四川省精品课程－传感技术
❖ 气敏元件一般裸露于大气中，因此设计与使用 时必须注意环境因素对气敏元件特性的影响。
❖ 另外、气敏元件加热丝的电压值决定了敏感元 件的工作温度，它是影响气敏感元件各种特性 的一个不可忽略的重要因素。
四川省精品课程－传感技术
气体传感器
1
目录
四川省精品课程－传感技术
❖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
2
概述
四川省精品课程－传感技术
❖ 气体传感器及气体检测方法 ❖ 气体传感器的分类
39
四、灵敏度的提高与稳定改善 四川省精品课程－传感技术
1. 气体传感器(或气敏元件)对被测气体敏感程度的特性 称为传感器的灵敏度。
2. 改善方法：目前，一般利用金属或金属氧化物元件材
料的催化作用来提高传感器的灵敏度。
最有代表性的催化剂有Pd(钯)，Pt（铂）等白金系催 化物。
Cr能够促进乙醇分解 Mo，W等能促进H2，CO，N2，O2的吸附与反应速度； MgO，PbO，CdO等掺加物也能加速被测气体的吸
注：加热温度一般为200-400℃
32
检测电路实例
❖ 加热清洗原理： VR5支路
❖ 检测原理: VR2:调零点； VR4：调灵敏度；
❖ 报警原理 VR1：设定报警点
简要介绍电阻型半导体气敏传感器的工作原理。
简要介绍电阻型半导体气敏传感器的工作原理。
电阻型半导体气敏传感器是一种常用的气体检测器件，可用于检测各种气体的浓度和存在。
该传感器主要由感受层、电极和封装外壳组成。
感受层通常由有机半导体材料制成，如聚合物或碳黑等，这些材料具有吸附气体的能力。
电极由金属导体制成，与感受层紧密接触，用于测量电阻值变化。
封装外壳则起到保护传感器内部结构的作用。
传感器的工作原理可以分为三个阶段：吸附阶段、导电阶段和恢复阶段。
在吸附阶段，传感器暴露在待测气体环境中，气体分子会被感受层表面的活性位点吸附。
吸附过程会导致感受层的电荷分布发生变化，从而改变了导电层的电阻。
吸附作用与气体浓度成正比，因此电阻值的变化可以用来表示气体的浓度。
在导电阶段，传感器的电阻值与待测气体的浓度成正比。
这是因为感受层与导电层之间的电荷传输和电子传导被气体分子的吸附行为所影响。
当感受层吸附更多气体分子时，气体分子与导电层之间的电子传导路径被阻碍，导致电阻值增加。
因此，电阻型半导体气敏传感器的检测灵敏度随着气体浓度的增加而增加。
在恢复阶段，传感器暴露在无待测气体的环境中，吸附在感受层上的气体分子逐渐脱附。
这个过程被称为恢复。
恢复时间取决于感受层和待测气体的性质，以及环境条件。
传感器需要一定的恢复时间才能回到初始基准阻值。
根据不同的气体特性和应用需求，电阻型半导体气敏传感器可以选择不同的感受层材料。
常见的有机半导体材料如氧化锡（SnO2）、氧化锆（ZrO2）和二氧化钛（TiO2）等，研究表明这些材料能够对多种气体产生响应。
此外，添加不同的添加剂和改变感受层的结构也可以使传感器对特定气体产生高选择性。
电阻型半导体气敏传感器在许多领域有广泛应用。
例如，它可以用于检测室内空气质量、工业过程控制、环境监测等。
最近，随着人们对环境污染和室内空气质量的关注不断增加，电阻型半导体气敏传感器的需求也越来越大。
在未来，该技术可能会继续发展，以提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性，并应用于更广泛的领域。
气敏传感器的原理
气敏传感器的原理
红外线型气敏传感器是一种利用红外线光谱技术来检测气体成分的传感器。这种传感器通 常由红外光源、光探测器和过滤器组成。当红外光束通过目标气体时，不同气体分子会吸 收不同波长的红外光，导致光强减弱。通过测量不同波长的光强可以确定目标气体的成分 和浓度。红外线型气敏传感器具有高灵敏度、高选择性等优点，因此在环保、医疗等领域 得到广泛应用
以上是几种常见气敏传感器的原理，每种类型的气敏传感器都有其独特的特点和适用范围 。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的气敏传感器类型，以达到准确的检测效果
除了以上提到的几种常见气敏传感器原理，还有一些其 他类型的气敏传感器，例如红外线型气敏传感器、电容 型气敏传感器等。这些传感器各有其特点和应用场景， 下面简要介绍其中两种
气敏传感器的原理
光学型气敏传感器是一种通过测量气体对光信号的影响来检测气体浓度的传感器。这种传 感器通常由光源、光探测器和光学膜片组成。当光束通过光学膜片时，光束会受到目标气 体的吸收或散射作用，从而改变光强的分布。通过测量光强的变化可以确定目标气体的浓 度
半导体型气敏传感器
气敏传感器的原理
半导体型气敏传感器是一种利用半导体的物理特性来检测气体浓度的传感器。这种传感器 通常由一种半导体材料制成，当气体与半导体材料接触时，半导体的电阻值会发生变化。 通过测量电阻值的变化可以确定目标气体的浓度。半导体型气敏传感器具有灵敏度高、响 应时间短等优点，因此在许多领域得到广泛应用
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电容型气敏传感器
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气敏传感器的原理
电容型气敏传感器是一种利用电容原理来检测气体浓度的传感器。这 种传感器通常由两个平行电极和绝缘层组成。当目标气体与绝缘层接 触时，气体分子会吸附到绝缘层表面，导致电容值发生变化。通过测 量电容值的变化可以确定目标气体的浓度。电容型气敏传感器具有结 构简单、响应时间短等优点，因此在一些特殊领域得到应用，如检测 有毒有害气体等
电阻式半导体气体传感器
电阻式半导体气体传感器姓名：章威学号：109020009引言：气体检测技术在国民经济中占有重要地位，目前检测气体的方法和手段已经非常多,主要包括电化学法、气相色普法、导热法、红外吸收法、接触燃烧法半导体气体传感器检测法、光纤法,但是从材料的应用范围、普及程度以及实用性来看,半导体气体传感器是应用最为广泛的。
半导体传感器包电阻式气体传感器和非电阻式气体传感器,电阻式是利用其阻值变化来检测气体浓度,而非电阻式主要是利用一些物理效应与器件特性来检测气体,如肖特基二级管的伏- 安特性和金属- 氧化物- 半导体场效应管阀值电压变化等特性。
由于电阻式半导体传感器研究较早,到目前为止是应用最为广泛的一种。
此类传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点,但是在实际应用中也存在着稳定性和选择性差、敏感机理复杂、工作温度高、寿命短等缺点,如何提高这类传感器的综合性能成了研究这一类传感器的工作重点。
1常见电阻式半导体传感器敏感材料及其敏感机理气敏材料作为传感器最为关键的一部分,其性质直接影响到传感器的性能常见电阻式敏感材料见表1 ,主要分为金属氧化物类、复合类、高分子类。
其SnO2、ZnO、Fe2O3作为传统金属氧化物及其掺杂类气敏材料已被广泛研究 ,但在实际应用中存在选择性差、操作温度高、稳定性差等问题,近十几年来In2O3、WO3MoO3等为基的新型金属氧化物材料进行了深入系统的研究,从灵敏度、选择性、响应时间等方面来看,是检测CO、O3、H2S、NH3等气体的理想材料。
此外, 钙钛矿型(ABO3) 和K2NiF4(A2BO4) 复合半导体材料由于其结构稳定、组分容易调节,在高分子材料方面,主要有酞箐、卟啉、卟吩和它们的衍生物。
近些年来,聚吡咯、二萘嵌苯、蒽、β- 胡萝卜也被作为气敏材料进行了研究。
表1 敏感材料的种类以及检测气体样性,因此给出此类传感器敏感机理一个统一的理论解释是比较困难的。
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《陶瓷学报》 JOURNAL OF CERAMICS
Vol. 32, No.4 Dec. 2011
文章编号：1000- 2278（2011）04- 0602- 08
电阻型半导体气体传感器的概况
王红勤 １ 杨修春 １ 蒋丹宇 ２
（１．同济大学材料科学与工程学院，上海 ２０００９２；２．中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 ２０００５０）
604
《陶瓷学报》２０１１ 年第 ４ 期
Ｈ ／Ｍ Ｍ
ＲＳ ＶＨ
ＶＣ
ＲＬ Ｕ
图 ２ Ｎ ｉＯ 氧传感器测试电路 Fig.2 Test circuit for NiO thin film oxygen sensor
８００
６００
４００
２００
０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ μｇ．ｇ－ １
图 ３ Ｎ ｉＯ 氧传感的灵敏度与氧含量的关系 Fig.3 Dependence of NiO thin film oxygen sensor
（ｂ）Ｔ ｉＯ ２ 气体传感器结构
图 ４ 体控制型气体传感器结构举例
Fig.4 Structure of bulk-controlled type
２ 体控制型气体传感器
的电子向位于低能级的吸附粒子转移，结果，吸附粒 子获负电，这叫做负电荷吸附，能带也发生弯曲，向上 弯曲。反之，当 A<Ps 时，吸附粒子的电子能级处于比 半导体的费米能级高的位置，由于主体的吸附，电子 从气体向半导体侧移动，吸附粒子因失去电子带正 电，成正电荷吸附，能带向与负电荷吸附相反的方向 弯曲，即向下弯曲。正是由于半导体表面和气体之间 的正负吸附的发生，才引起气体传感器中气敏材料的 电导率变化，对于 N 型半导体表面，气体进行正电荷 吸附时，因气体向导带放出电子，半导体的导电电子 数增加，引起电导率增加。反之，负电荷吸附时，半导 体的导电电子数减少，电导率下降。这种变化只发生 在表面空间电荷区内，在这个区域内的电导率的变化 相应于气体吸附量的变化，是由于吸附引起导电电子 数增减，随气体吸附量的变化而变化。如果是 P 型半 导体金属氧化物传感器，例如 NiO 和 Cu2O 等，则发 生完全相反的情况[11- 13]。
ZnO 系烧结型 H2S 气体传感器适用于低浓度 H2S 气体检测，当 H2S浓度 <100μ/g 时，灵敏度 K 与 H2S 浓度 C 的 对 数 呈 线 性 关 系 ，它 可 用 于 10μ/g~ 100μ/g 的 H2S 气体的定量检测，它的响应恢复特性 在一定的温度和浓度下比较好，而且它还具有较好的 选择性，抗湿性也很强。由于它不含 Pd，Pt 等贵金属， 避免了中毒、老化，有较好的稳定性，所以它是一种选 择性好、灵敏度、稳定性高的一种新型 H2S 气体传感 器，目前已得到推广与应用。 1.2.2 NiO 烧结型氧传感器
NiO 氧传感器的测试电路见图 2。 传感器的灵敏度与氧浓度的关系：NiO 氧传感器 的灵敏度（用色谱仪测出的峰高，用 H 表示）与氧含
量的关系曲线见图 3 所示。 传感器的稳定性：NiO 氧传感器在色谱仪上可连
续工作一年，其灵敏度变化不大。 综上可见，NiO 氧传感器由于其灵敏度高（检测
下限浓度可达 10～9 级），响应快（约为 10s），稳定性 好，它已成功地应用在气敏色谱仪中作为检定器进行 高纯气体中微量氧的定量分析。 1.2.3 WO3 烧结型 NO2 气体传感器
产量最大、应用最广的传感器之一。半导体气体传感 器，是利用半导体气体传感器同被测气体接触，产生 半导体特性（如电阻等电学性质）变化原理，来检测气 体成分或测量气体浓度的传感器的统称。半导体式气 体传感器大体上可以分为电阻型和非电阻型两种。电 阻型大多数用氧化锡、氧化锌等金属氧化物半导体材 料制作气体传感器，非电阻型有金属 / 半导体结型二 极管和 MOS- FET 等。本文主要概述关于电阻型气体 传感器的结构原理，制备方法，性能特点及其优缺点 和以后的研究方向。
表 １ 气体选择性比较 Tab.1 Gas selectivity of the sensor
气体各类
NO2 CO 丁烷 H2 乙醇 H2S SO2
气体浓度（10-6） 5 1000 1000 1000 1000 1000 1000
灵敏度
229.1 1
1
1 - 2.5 1
1
备注：元件加热功率 ０．２４Ｗ 。
收稿日期：2011- 09- 21 通讯联系人：王红勤，E４ 期
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传感器及薄膜型气体传感器等[10]。目前已商品化的有 SnO2，ZnO 等。这里简述其结构、原理和制造工艺。 1.1.1 表面控制型气体传感器的结构
表面控制型气体传感器的结构如图 1 所示。 图 1（a）是烧结型元件，即先将金属氧化物浆料 涂布在贵金属电极周围使之成型，然后通电流加热或 在低温下烧结。制作方法简单，但选定烧结温度很重 要。若烧结温度过低，则元件的机械强度不好；若烧结 温度过高且升温速度快，则元件的性能不好。（b）是薄 膜型元件，其制作方法是将金属氧化物及电极蒸发或 喷射到绝缘基片上使之成膜。制备虽然简单，但元件 之间的特性差异很大。（c）是厚膜型元件，利用丝网印 刷工艺将含氧化物半导体的浆料印刷到绝缘基片上 制成厚膜，其工艺性、元件强度、特性均好。 1.1.2 表面型气体传感器的工作原理 半导体气敏传感器一般有三部分组成：敏感元 件、加热器和外壳。气敏材料作为传感器最为关键的 一部分，其性质直接影响到传感器的性能，常见的电 阻式敏感材料主要分为金属氧化物类、复合类、高分 子类。由于气敏材料的多样性，所以气体传感器的气 敏机理很复杂，要给出一个统一的理论解释是比较困 难的。本文以 N 型半导体气敏传感器为例来介绍一 下表面型气体传感器的工作原理。 当半导体表面上吸附气体分子时，在半导体与气 体之间引起电子转移。气体分子从半导体中获得一个 电子时,该气体放出的能量叫做电子的亲和势,常用 A 表示。半导体功函数用 Ps 表示。当 A>Ps 时，半导体的 费米能级与价电子之间，相当产生一个新的吸附能 级，为此，半导体中电荷产生再分配，位于半导体导带
sensitivity and oxygen content
样，其具体的敏感机理是：ZnO 半导体中存在过剩的 Zn 离子，在空气中吸附了氧分子，引起半导体的导电 率下降、电阻上升，在催化剂的作用下，促进了吸附过 程，在上述状态下，导入还原性气体，催化剂促进了还 原性气体与吸附的氧发生反应，从而半导体的氧化被 中断，当氧脱离半导体表面后，其电导率上升，电阻则 下降[22]。
三氧化钨（WO3）是最近几年开发出来的具有优 良气敏特性的半导体材料，由于它对氨和氮氧化物气 体十分敏感，在某些特定的场合具有实用价值。目前 对它的敏感机理和改性研究进行得较为活跃[23- 24]，已 有报道显示 [25]：在气氛中氨含量低于 5×10-5 时，纯 WO3敏感性能差，当杂某些贵金属（如 Au、Rh、Pd、Ag 等）作催化剂对其进行改性后，测试发现掺 Au 的 WO3 材 料对 NH3 的敏感性最好，其最佳工作温度为 450℃， 能够检测气氛中氨含量的范围为 5×10-6~5×10-5。 Au- WO3 敏感材料对氨的灵敏度随 Au 含量的增大 呈现先上升后减小的趋势，并且其在空气中的电阻与 Au 含量的关系也呈相似的趋势。
半导体气体传感器按结构分类，有烧结型、厚膜 型、薄膜型；按功能分类，有单功能型、多功能型；按检 测方式分类，有表面控制型、体控制型气体传感器。表 面控制型气体传感器指半导体同被检测气体的相互 作用主要限于半导体表面，体控制型气体传感器指其 相互作用涉及半导体内部。本文按第三种分类进行综述。
１ 表面控制型气体传感器
半导体传感器与气体接触后，电导率变化的现象 是复杂的，有时不能用上述原理来说明。如 ZnO 与水 蒸气，SnO2 与 H2 接触时，电导率有时增加，有时减少， 因此，还需不断深入研究。 １．２ 表面控制型气体传感器举例 1.2.1 ZnO 半导体氧传感器
ZnO 半导体传感器是常用的检测还原性气体的 一种表面控制型气体传感器，是一种 N 型半导体，近 年来对 ZnO 的研究主要集中在提高其气体灵敏度和 气体选择性方面，其中贵金属掺杂，氧化物复合，ZnO 纳米线化，光激发 ZnO 等是比较有效的措施，而且取 得了明显的进展[14- 21]。其工作原理就像上文所说的那
０ 引言
1962 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以 来，半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间 快等优点，其产品发展非常迅速，目前已成为世界上
传感技术是当今世界发展最为迅速的高新技术 之一，从 70 年代末以来，由于电子计算机技术的高速 发展，以及对智能机器人的需要，世界各国普遍重视 了传感器的研究开发工作[1]。日本是最早研究传感器 的国家，也是研究传感器技术比较成熟的一个国家， 相比较而言，我国这项技术起步较晚，技术稍显落后。 随着科技水平的发展，气体检测在地震预报、矿井安 全、石油勘探、医疗卫生、污染源检测、化工过程控制、 冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学 科如生物科学、微电子学、新型材料等领域均有着越 来越广泛的应用[2]。随着人们生活水平的提高及社会 发展的需要，对气体传感器的要求也越来越高，需要 检测的气体种类也越来越多，由原来的还原性气体 (H2、C4H10、CH4 等) 扩展到毒性气体（CO、NO2、H2S、 NO、NH3、PH4 等）以及与食品有关的气体（鱼品新鲜 度的三甲胺、醋酸乙酯等），为了满足这些要求，气体 传感器一定要具有较高的灵敏度和选择性，重复性和 稳定性要好，要能大批量生产，并且性价比一定要高，
管芯
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Ｔ ｉＯ ２
金属外壳
陶瓷绝缘材 端子
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Ｆｅ３Ｏ ４
还原
化 氧
原 还
γ－ Ｆｅ２Ｏ ３
转移
α－ Ｆｅ２Ｏ ３
图 ５ 氧化铁的氧化还原及转移过程 Fig.5 Oxidation, reduction and phase transfer of Fe3O4