气敏传感器

13.1.4 SnO2的气敏效应
1.经实验发现，多晶SnO 1.经实验发现，多晶SnO2 经实验发现 对多种气体具有气敏特性。 对多种气体具有气敏特性。 2.多孔型 多孔型SnO 半导体材料， 2.多孔型SnO2半导体材料， 其电导率随接触的气体种 类而变化。 类而变化。 一般吸附还 原性气体时电导率升高。 原性气体时电导率升高。 而吸附氧化性气体时其电 导率降低。 导率降低。 这种阻值变 化情况如图10 17所示 10- 所示。 化情况如图10-17所示。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件 旁热式SnO
这种元件的结构示意图如图10-19所示。 其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂 梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件特点 旁热式SnO
这种结构克服了直热式的缺点， 其测量极与 这种结构克服了直热式的缺点 ， 加热丝分开， 加热丝不与气敏元件接触， 加热丝分开 ， 加热丝不与气敏元件接触 ， 避 免了回路间的互相影响； 元件热容易大， 免了回路间的互相影响 ； 元件热容易大 ， 降 低了环境气氛对元件加热温度的影响， 低了环境气氛对元件加热温度的影响 ， 并保 持了材料结构的稳定性。 持了材料结构的稳定性。 QM目 前 国 产 QM-N5 型 气 敏 元 件 ， 日 本 弗 加 罗 TGS#812 813型气敏元件采用这种结构 812、 型气敏元件采用这种结构。 TGS#812、813型气敏元件采用这种结构。
13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件 直热式SnO
直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18 所示。 组成: 元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝， 它们都埋在SnO2基材内。 工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。
13.1.8（1）直热式SnO2气敏元件特点 直热式SnO
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型SnO 烧结型 SnO2 气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件。 气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质 烧结体。在晶体中如果氧不足， SnO2 烧结体 。 在晶体中如果氧不足 ， 将 出现两种情况：一是产生氧空位， 出现两种情况：一是产生氧空位，另一 种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况， 种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况， 在禁带靠近导带的地方形成施主能级。 在禁带靠近导带的地方形成施主能级。 这些施主能级上的电子， 这些施主能级上的电子，很容易激发到 导带而参与导电。 导带而参与导电。
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
13.1.6 SnO2气敏元件的结构
气敏元件分类: SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 主要有三种类型： 烧结型、 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 厚薄型。 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟， 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广 泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。 泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO 气敏元件是以多孔陶瓷SnO 烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 料粒度在1μm以下 以下） 添加不同物质， 材 （ 料粒度在 1μm 以下 ） ， 添加不同物质 ， 采用传统制陶方法，进行烧结。 采用传统制陶方法，进行烧结。 烧结时埋入测量电极和加热线， 制成管芯， 烧结时埋入测量电极和加热线 ， 制成管芯 ， 最后将电极和加热丝引线焊在管座上, 最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加 二层不锈钢网而制成元件。 二层不锈钢网而制成元件。 主要用于检测还原性气体、 主要用于检测还原性气体 、 可燃性气体和 液体蒸气。工作时需加热到300 左右. 300℃ 液体蒸气。工作时需加热到300℃左右. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 按其加热方式又可分为 直热式和旁热式两 种。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理B
烧结型SnO2气敏元件的气敏部分，就是这种 N型SnO2材料晶粒形成的多孔质烧结体，其 结合模型可用图10-20表示。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
这种结构的半导体，其晶粒接触界面存在电子势垒， 其接触部（或颈部）电阻对元件电阻起支配作用。 显然，这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状， 亦即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响。
13.1.6 表10-2 添加物对 添加物对SnO2气敏效应的影响
添加物质 PdO,Pd Pd,Pt过渡金属 PdCI2SbCI3 Sb2O3,TiO2TIO3 V2O5，Cu 稀土类 过渡金属 Sb2O3,Bi2O3
高岭土Hale Waihona Puke Baidu陶土）， Bi2O3 WO
检测气体 CO，C3H8 酒精 CO，C3H8 CH4，C3H8, CO
13.1.3 SnO2的基本性质
物理性质: 1.SnO2 物理性质: 是一种白色粉末， SnO2 是一种白色粉末 ， 密度 16- 02g/cm 为 6.16-7.02g/cm3 ， 熔 点 为 1127℃ 1127℃，在更主温度下才能分 沸点高于1900 1900℃ 解，沸点高于1900℃的金属气 化物。 不溶于水， 化物。SnO2 不溶于水，能溶于 热强酸和碱。 热强酸和碱。 晶体结构: 2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构， 是金红石型结构，具有正方晶 系对称， 系对称，其晶胞为体心正交平 行六面体， 行六面体，体心和顶角由锡离 子占据。 其晶胞结构如图10 10子占据 。 其晶胞结构如图 1016 所 示 ， 晶 格 常 数 为 a=0 475nm c=0 319nm nm， nm。 a=0.475nm，c=0.319nm。
气敏传感器
13.1 概述
13.1.1
1.产生原因: 产生原因: 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前 实用气体方法很多， 实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法 具有使用方便、 具有使用方便、费用低等特点。 2.发展过程: 发展过程: 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是S 60年代初期研制成功的 半导体气敏元件是60 年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2 薄膜元 它是利用加热条件下S 件。它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增 加而下降，实现对可燃性气体检测。 加而下降，实现对可燃性气体检测。 继而又发现在SnO 烧结体中添加Pt pd等贵重金属可提高灵敏度 Pt或 等贵重金属可提高灵敏度。 继而又发现在 SnO2 烧结体中添加 Pt 或 pd 等贵重金属可提高灵敏度 。 1968年诞生了商品半导体气敏元件 其后， 年诞生了商品半导体气敏元件， 1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场。 元件也相继投放市场。 常用的气敏元件: 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主. 半导体气敏元件，目前以TGS型和QM- 型气敏元件为主. TGS型和QM
13.1.5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 具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnO 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， 中有氧空位或锡间隙原子。 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， 中氧空位多， 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。 气敏效应明显。 （2）SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明， 中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。 实验证明，SnO2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。 10- 列出了具有不同添加物质的SnO 气敏元件的气敏效应。 表10-2列出了具有不同添加物质的SnO2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， 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， 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。 检测。
13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点
（ 1 ） 气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关 因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 材料的物理、 化学稳定性较好， （ 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 气敏元件（如接触燃烧式气敏元件） 相比， 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、 （ 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。 脱附时间短，可连续长时间使用。 元件结构简单，成本低，可靠性较高， （ 4 ） 元件结构简单 ， 成本低 ， 可靠性较高 ， 机械性能 良好。 良好。 对气体检测不需要复杂的处理设备。 （ 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。 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。
1.优点： 优点： 制作工艺简单、成本低、功耗小、 制作工艺简单 、 成本低 、 功耗小 、 可以在高电压下使 可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 国内QN型和MQ型气敏元件. QN型和MQ型气敏元件 国内QN型和MQ型气敏元件. 缺点: 2.缺点: 热容量小，易受环境气流的影响； 热容量小，易受环境气流的影响； 测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩 ， 易造成接 触不良。 触不良。
由于氧吸附力很强，因此， 气敏元件在空气中放置时， 由于氧吸附力很强，因此，SnO2气敏元件在空气中放置时 ，其表面上总 是会有吸附氧的，其吸附状态均是负电荷吸附状态。这对N 是会有吸附氧的 ， 其吸附状态均是负电荷吸附状态 。 这对 N 型半导体来 形成电子势垒，使器件阻值升高。 说，形成电子势垒，使器件阻值升高。 气敏元件接触还原性气体如H CO等时 等时， 当SnO2气敏元件接触还原性气体如H2、 CO 等时，被测气体则同吸附氧发 生反应，如图10 20c所示，减少了On 吸附密度，降低了势垒高度， 10On生反应，如图10-20c所示，减少了On- 吸附密度，降低了势垒高度，从 而降低了器件阻值。 而降低了器件阻值。 在添加增感剂（ pd）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应， 在添加增感剂（如pd）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应， 提高了器件的灵敏度。增感剂作用如图10 20d所示。 10提高了器件的灵敏度。增感剂作用如图10-20d所示。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导体表面获得电子， 氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导体表面获得电子，形成受主型表面 能级， 能级，从而使表面带负电 e→On10-21） 1/2 O2（气）+ne→On- 吸附 （10-21）
式中On- 吸附——表示吸附氧；On——表示吸附氧 ——电子电荷 电子电荷； 式中On- 吸附——表示吸附氧；On- 吸附 ;e——电子电荷； On ;n——个数。 ——个数。 个数
13.2.1
SnO2主要性能参数 A
3、响应时间trcs 响应时间t 把从元件接触一定浓度的被测气 体开始到其阻值达到该浓度下稳 定阻值的时间，定义为响应时间， 定阻值的时间，定义为响应时间， 表示。 用trcs表示。 4、恢复时间trcc 恢复时间t 把气敏元件从脱离检测气体开始， 把气敏元件从脱离检测气体开始， 到期阻值恢得到正常空气中阻值 的时间，定义为恢得时间，用 表示。 trcc表示。 实际上， 实际上，常用气敏元件从接触或 脱离检测气体开始， 脱离检测气体开始，到其阻值或 阻值增量达到某一确定值的时间， 阻值增量达到某一确定值的时间， 例如， 例如，气敏元件阻值增量由零变 化到稳定增量的63%所需的时间， 63%所需的时间 化到稳定增量的63%所需的时间， 定义为响应时间和恢复时间。 定义为响应时间和恢复时间。