气体传感器及其应用
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半导体气体传感器主要是以氧化物半导体为基本 材料制成，当半导体气敏元件同气体接触时，气 体吸附于元件表面，使得半导体的导电率发生变 化，从而检测待测气体的成分及浓度。
半导体气体传感器大体上分为电阻式和非电阻式 两种。电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧 化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其 阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体 气体传感器主要有金属/半导体结型二极管和金属 栅的MOS场效应管的传感器，利用它们与气体接 触后整流特性或阈值电压的变化来实现对气体的 长江工程职业技术学院自动化教研室 测量。在此只介绍电阻式气体传感器。
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QM—N5型气敏传感器的极间电压为10V，加热电压为 5±0.5V，负载电阻为2k，适用环境温度为-20~40℃。 适用于检测煤气、液化石油气、煤油、汽油、乙炔、乙 醇、酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳、烷类气体、烯类 气体、氨类气体及烟雾等。图5-3列出QM—N5外形和符 号。其中A、B为信号电极（电极），H为加热丝极（丝 极）。
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三、常见气体传感器及其应用
1．QM—N5型气敏传感器及应用
QM—N5是一种应用广泛的国产气敏传感器，它由 绝缘陶瓷管、加热器、电极及氧化锡烧结体等构成。 工作时，电热丝通电加热，当无被测气体流入时， 由于空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸 附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。 当有被测气体流入，元件表面将产生吸附作用，元 件的阻值将随气体浓度而变化，然后由测量回路按 照浓度和阻值的变化关系即可推算出气体的浓度。
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① 直热式SnO2气敏器件：直热式器件的结构如图5-2 所示。器件管芯由三部分组成：SnO2基本材料、加热 电阻丝和电极丝。加热电阻丝和电极丝直接埋在SnO2 材料内，然后烧结制成。工作时加热电阻丝通电加热， 使器件达到工作温度，测量电极丝用于器件电阻值变 化的测量。 这种器件的优点是： 制造工艺简单、功耗 小、成本低，可在高 压回路中使用，可制 成价格低廉的可燃气 图5-2 直热式气敏器件结构与符号 体报警器。 这种器件的缺点是：热容量小，易受环境气流的影响， 测量回路和加热回路之间没有隔离，互相影响。
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该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）， 目的是为了加速上述的氧化还原反应。例如，用氧化 锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电 导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该元件的 电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大，显然半导体电导 率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
1．气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物如氧化锡、氧化锌 等，它们在常温下是绝缘的，制成半导体后却显 出气敏特性。通常元件工作在空气中，空气中的 氧、二氧化氮这样的氧化性气体——电子接收性 气体，接受来自半导体材料的电子，结果使N型半 导体材料的载流子数量减少，使表面电导率减小， 从而使元件处于高阻状态。一旦元件与被测还原 性气体——电子供给性气体（如H2、CO、碳氢化 合物和酒类）接触，半导体的载流子增多，使元 件电阻减小。
避免了测量回路与加热回路之间的互相影响。而且 器件热容量大，降低了环境气温对器件加热温度的 影响，并容易保持SnO2材料结构稳定。
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（2）薄膜型SnO2气敏元件 薄膜型SnO2气敏元件一般是在绝缘基板上蒸发或溅 射一层SnO2薄膜，再引出电极即成。这种器件制作 方法简单，但器件特性一致性差，灵敏度不如烧结 型器件高。 （3）厚膜型SnO2气敏元件 厚膜型SnO2气敏元件一般采用丝网印刷技术制作， 器件强度好，特性比较一致，便于生产。
气体传感器及其应用
课题 气体传感器的分类及特性
任务目标 ★ 熟悉气体传感器的主要特性； ★ 会分析常见的气பைடு நூலகம்传感器应用电路； ★ 能够完成带有自动控制排气扇和报警功能的电 路设计和调试。
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一、气敏传感器概述
我们生活在气体的环境之中，气体与我们的日常 生活密切相关。我们对气体的感知是用鼻子这个 器官，而气敏传感器其作用就相当于我们的鼻子， 可“嗅”出空气中某种特定的气体或判断特定气 体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监测， 以改善人们的生活水平，保障人们的生命安全。 需要检测的气体种类繁多，它们的性质也各不相 同，所以不可能用一种方法来检测所有气体。对 气体的分析方法也随气体的种类、成分、浓度和 用途而异。目前主要应用的气体检测方法有电气 法、电化学法和光学法等。
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② 旁热式SnO2气敏器件：旁热式气敏器件如图5-3所 示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进一个高阻 加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂 SnO2材料。 这种结构克服了 直热式器件的缺 点，其测量极与 加热电阻丝分开， 加热丝不与热敏 图5-3 QM—N5外形和符号 材料接触，
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电气法是利用气敏器件（主要是半导体气敏器件） 检测气体，是目前应用最为广泛的气体检测方法。 电化学法是利用电化学方法，使用电极与电解液对 气体进行检测。 光学法是利用气体的光学折射率或光吸收等特性检 测气体。
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二、半导体气体传感器
由上可知，气敏电阻工作时需要本身的温度比环境 温度高很多。因此，气敏电阻结构上有电阻丝加热器。
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气敏电阻的基本测量电路 ：
图5-1 气敏元件的测量电路及气敏元件输出电压与温度的关系
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2．氧化锡气敏器件 SnO2是一种白色粉末状的金属氧化物，其多结晶体 材料具有气敏特性。SnO2气敏器件当前主要有三种 类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。 （1）烧结型SnO2气敏器件 这种器件是以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不 同物质，采用传统制陶工艺进行烧结。烧结时在材 料中埋入加热电阻丝和测量电极，制成管芯，然后 将加热电阻丝和测量电极引线焊在管座上，并将管 芯罩覆在不锈钢网中而制成器件。这种器件主要用 于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸汽。器件 工作时需加热至300℃左右，按其加热方式不同， 又分为直热式和旁热式两种气敏器件。
半导体气体传感器大体上分为电阻式和非电阻式 两种。电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧 化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其 阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体 气体传感器主要有金属/半导体结型二极管和金属 栅的MOS场效应管的传感器，利用它们与气体接 触后整流特性或阈值电压的变化来实现对气体的 长江工程职业技术学院自动化教研室 测量。在此只介绍电阻式气体传感器。
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QM—N5型气敏传感器的极间电压为10V，加热电压为 5±0.5V，负载电阻为2k，适用环境温度为-20~40℃。 适用于检测煤气、液化石油气、煤油、汽油、乙炔、乙 醇、酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳、烷类气体、烯类 气体、氨类气体及烟雾等。图5-3列出QM—N5外形和符 号。其中A、B为信号电极（电极），H为加热丝极（丝 极）。
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三、常见气体传感器及其应用
1．QM—N5型气敏传感器及应用
QM—N5是一种应用广泛的国产气敏传感器，它由 绝缘陶瓷管、加热器、电极及氧化锡烧结体等构成。 工作时，电热丝通电加热，当无被测气体流入时， 由于空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸 附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。 当有被测气体流入，元件表面将产生吸附作用，元 件的阻值将随气体浓度而变化，然后由测量回路按 照浓度和阻值的变化关系即可推算出气体的浓度。
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① 直热式SnO2气敏器件：直热式器件的结构如图5-2 所示。器件管芯由三部分组成：SnO2基本材料、加热 电阻丝和电极丝。加热电阻丝和电极丝直接埋在SnO2 材料内，然后烧结制成。工作时加热电阻丝通电加热， 使器件达到工作温度，测量电极丝用于器件电阻值变 化的测量。 这种器件的优点是： 制造工艺简单、功耗 小、成本低，可在高 压回路中使用，可制 成价格低廉的可燃气 图5-2 直热式气敏器件结构与符号 体报警器。 这种器件的缺点是：热容量小，易受环境气流的影响， 测量回路和加热回路之间没有隔离，互相影响。
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该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）， 目的是为了加速上述的氧化还原反应。例如，用氧化 锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电 导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该元件的 电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大，显然半导体电导 率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
1．气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物如氧化锡、氧化锌 等，它们在常温下是绝缘的，制成半导体后却显 出气敏特性。通常元件工作在空气中，空气中的 氧、二氧化氮这样的氧化性气体——电子接收性 气体，接受来自半导体材料的电子，结果使N型半 导体材料的载流子数量减少，使表面电导率减小， 从而使元件处于高阻状态。一旦元件与被测还原 性气体——电子供给性气体（如H2、CO、碳氢化 合物和酒类）接触，半导体的载流子增多，使元 件电阻减小。
避免了测量回路与加热回路之间的互相影响。而且 器件热容量大，降低了环境气温对器件加热温度的 影响，并容易保持SnO2材料结构稳定。
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（2）薄膜型SnO2气敏元件 薄膜型SnO2气敏元件一般是在绝缘基板上蒸发或溅 射一层SnO2薄膜，再引出电极即成。这种器件制作 方法简单，但器件特性一致性差，灵敏度不如烧结 型器件高。 （3）厚膜型SnO2气敏元件 厚膜型SnO2气敏元件一般采用丝网印刷技术制作， 器件强度好，特性比较一致，便于生产。
气体传感器及其应用
课题 气体传感器的分类及特性
任务目标 ★ 熟悉气体传感器的主要特性； ★ 会分析常见的气பைடு நூலகம்传感器应用电路； ★ 能够完成带有自动控制排气扇和报警功能的电 路设计和调试。
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一、气敏传感器概述
我们生活在气体的环境之中，气体与我们的日常 生活密切相关。我们对气体的感知是用鼻子这个 器官，而气敏传感器其作用就相当于我们的鼻子， 可“嗅”出空气中某种特定的气体或判断特定气 体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监测， 以改善人们的生活水平，保障人们的生命安全。 需要检测的气体种类繁多，它们的性质也各不相 同，所以不可能用一种方法来检测所有气体。对 气体的分析方法也随气体的种类、成分、浓度和 用途而异。目前主要应用的气体检测方法有电气 法、电化学法和光学法等。
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② 旁热式SnO2气敏器件：旁热式气敏器件如图5-3所 示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进一个高阻 加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂 SnO2材料。 这种结构克服了 直热式器件的缺 点，其测量极与 加热电阻丝分开， 加热丝不与热敏 图5-3 QM—N5外形和符号 材料接触，
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电气法是利用气敏器件（主要是半导体气敏器件） 检测气体，是目前应用最为广泛的气体检测方法。 电化学法是利用电化学方法，使用电极与电解液对 气体进行检测。 光学法是利用气体的光学折射率或光吸收等特性检 测气体。
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二、半导体气体传感器
由上可知，气敏电阻工作时需要本身的温度比环境 温度高很多。因此，气敏电阻结构上有电阻丝加热器。
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气敏电阻的基本测量电路 ：
图5-1 气敏元件的测量电路及气敏元件输出电压与温度的关系
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2．氧化锡气敏器件 SnO2是一种白色粉末状的金属氧化物，其多结晶体 材料具有气敏特性。SnO2气敏器件当前主要有三种 类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。 （1）烧结型SnO2气敏器件 这种器件是以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不 同物质，采用传统制陶工艺进行烧结。烧结时在材 料中埋入加热电阻丝和测量电极，制成管芯，然后 将加热电阻丝和测量电极引线焊在管座上，并将管 芯罩覆在不锈钢网中而制成器件。这种器件主要用 于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸汽。器件 工作时需加热至300℃左右，按其加热方式不同， 又分为直热式和旁热式两种气敏器件。