气敏传感器解析

气敏传感器
一.气敏传感器简介
气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转 换为电信号的传感器。
在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样 的气体，需要进行检测和控制。比如煤矿瓦斯浓 度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄 漏；火灾报警等等。
家庭用煤气报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
二.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ敏传感器的原理及分类
➢ 按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电阻式。
电阻式半导体气敏传感器：
其电阻随着气体含量不同而变化;
主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是 一 种 用 金 属 氧 化 物 薄 膜 （ 例 如 SnO2 、 ZnO 、 Fe2O3、TiO2等）制成的阻抗器件。
表面控制型电阻式半导体气敏传感器：
➢当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
100 元件电阻 元件加热
正常状态
50
吸附氧化性气体 元件阻值变化
0 空气中
吸附还原性气体 时间
吸附气体后
（5）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要
工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻， 用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电 阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加 热功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. 1、结构与分类
由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。
双 层 金属 网 罩 气 敏 元件
电 极 引线
外套 封 装 基痤 端子
某气敏传感器的整体结构
（1） 烧结型
➢ 将元件的电极和加热器
金属氧化物
➢ 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（CO、CO2、 甲醛、酒精、氧气、氢气等）。
应用场合：
一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。 基本要求：
1、对被测气体有高的灵敏度。 2、气体选择性好。 3、能够长期稳定工作。 4、响应速度快。 分类： ➢ 按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还是涉及 到外部分为表面控制型和体控制型；
RC1
RC2
RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：
RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。
（c）输出电压比灵敏度KV
KV
Va Vg
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
（3）气敏元件的分辨率
金属氧化物 输出极
加热器
薄膜型 加热电极
工作原理
➢元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。
➢当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。
气敏电阻的原理图
➢ 当吸附还原性气体时，N型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值 降低。
➢当吸附氧化性气体时，N型半导体的功函数小于吸附 分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负 离子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增 大.
分类： 通常以气敏特性来分类，主要可分为： – 半导体型气敏传感器， – 电化学型气敏传感器， – 固体电解质气敏传感器， – 接触燃烧式气敏传感器， – 光化学型气敏传感器， – 高分子气敏传感器等。
半导体气敏传感器
➢ 元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物，
➢ 作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起 以载流子运动为特征的电导率、伏安特性或表面电位变化。 借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度，并将其变换 成电信号输出。
（2）气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏 感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度 之间的依从关系。表示方法有三种
（a）电阻比灵敏度K
K Ra Rg
Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值
（b）气体分离度
加热电极
输出极
均埋在金属氧化物气敏材
料中, 经加热成型后低温
烧结而成。
烧结型
➢ 目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件,
它的加热温度较低, 一般在200－300℃, SnO2气敏
半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、
丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制 成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加热 电极，中间为加热器。
➢ 对于P型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使 其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。
半导体气敏元件的特性参数：
（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件 (电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在 (103～105)Ω范围。 测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于 经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大， 即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行 测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气 环境中进行测量。
表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制 能力。气敏元件分辨率S表示为
S Vg Vg Va Vgi Vgi Va
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压 Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压 （4）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从 气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元 件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时 间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用 符号tr表示。