第九章气、湿敏传感器

电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气 体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度； 而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸 附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行 直接或间接检测。
一、电阻型半导体气敏材料的导电机理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体
表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变 化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状 态，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自由扩散，失去运动能 量。一部分被蒸发掉，另一部分残留分子产 生热分解而吸附在吸附处。
气敏传感器的分类
类型
原理
检测对象
特点
半导体式
接触燃烧 式
化学反应 式
光干涉式
热传导式
红外线吸 收散射式
若气体接触到加热的金属 氧 化 物 (SnO2 、 Fe2O3 、 ZnO2 等)，电阻值会增大或减小
可燃性气体接触到氧气 就会燃烧，使得作为气敏材 料的铂丝温度升高，电阻值 相应增大 利用化学溶剂与气体反应产 生的电流、颜色、电导率的 增加等
当氧化型气体吸附到N型半导体，还 原型气体吸附到P型半导体上时，将使半 导体的载流子减少，而使电阻值增大；
当氧化型气体吸附到P型半导体上，还 原型气体吸附到N型半导体上时，则载流 子增多，将使半导体电阻值下降。
由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因 此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相 对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将 变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得 知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏器件 的响应时间一般不超过1min。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、 CrO3等
❖ 恢复特性
测试完毕，把传感器置于大气环境中，其 阻值复原到保存状态数值的速度称为元件的 恢复特性。它与敏感元件的材料及结构和大 气环境条件有关。
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
器件电阻值（kΩ)
➢ 初始稳定 ➢ 气敏响应 ➢ 恢复特性
100
响应时间，约 1min 以内
稳定
器件加热 状态
氧化型
50
电阻值变化
5
加热 开关
10s 2min 4min
大气中
还原型 吸附气体时
图 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
❖ 初始稳定状态
➢ 气敏传感器按设计规定的电压值使加热丝通 电加热之后，敏感元件电阻值首先是急剧地 下降，一般约经2一10分钟过渡过程后达到稳 定的电阻值输出状态，称这一状态为“初始 稳定状态”。
CO、CO2等
灵敏度高，构造与电路 简单，但输出与气体浓 度不成比例
输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
气体选择性好，但不能 重复使用
寿命长，但选择性差
构造简单，但灵敏度低， 选择性差
能定性测量，但装置大， 价格高
பைடு நூலகம்
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
（ｃ）空气质量传感器
（d）氧气浓度传感器
(e)可燃气体传感器
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的 吸附和渗透特性)，则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。如氧气等 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H2、CO、碳氢化含物和 醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。
利用与空气的折射率不同而 产生的干涉现象
根据热传导率差而放热的发 热元件的温度降低进行检测
由于红外线照射气体分子谐 振而吸收或散射量进行检测
还原性气体、城市 排放气体、丙烷气 等
燃烧气体
CO 、 H2 、 CH4 、 C2H5OH、 SO2等
与空气折射率不同 的气体，如CO2等 与空气热传导率不 同的气体，如H2等
半导体气敏传感器利用半导体气敏元件同气体 接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特 定气体的成分或者浓度。按照半导体与气体的相 互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控 制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性 质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物 半导体器件）和非电阻型（电压控制型、MOS器 件）两种。
• 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
二、电阻型半导体气敏传感器的结构 电阻型半导体气敏传感器通常由气
敏元件、加热器和封装体等三部分组成。 从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和 厚膜型三类。
右图为烧结型气敏器件。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，经 加温、加压，利用700～900℃的制 陶工艺烧结成形。因此，被称为半 导体导瓷，简称半导瓷。半导瓷内 晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小 对电阻有一定影响，但对气体检测
第九章气、湿敏传感器
第一节、半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓 度和成分的传感器。是能够感知环境中某 种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气 体种类及其浓度有关的信息转换成电信号， 根据这些电信号的强弱便可获得与待测气 体在环境中存在情况有关的信息。
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（电学方 法），早期所采用的光学法是较古老的方法，其 装置复杂，使用和维修难度大，成本高。 电化学 方法虽然是老方法，但目前仍有较多使用，且有 一定发展，由于使用不便已很少采用。
灵敏度则无很大的影响。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，应用受到一定限制。
➢ 达到初始稳定状态的时间及输出电阻值，除 与元件材料有关外，还与元件所处大气环境 条件有关。达到初始稳定状态以后的敏感元 件才能用于气体检测。
❖ 气敏响应
• 过程：当加热的气敏元件表面接触并吸附 被测气体时，首先是被吸附的分子在表面自 由扩散(称为物理性吸附)而失去动能，这期 间，一部分分子被蒸发掉，剩下的一部分则 因热分解而固定在吸附位置上(称为化学性 吸附)。