气体传感器 讲解概要
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1）SnO2结构组成对气敏效应的影响 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，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，SnO2 中氧空位多， 气敏效应明显。 （2）SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明，SnO2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。 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，对 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。
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。
气敏传感器
13.1 概述
13.1.1
1.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。目前 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、费用低等特点。
2.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 SnO2 薄膜元 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。 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，其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场。 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.
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 材（料粒度在 1μ m 以下），添加不同物质， 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， 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。 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. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 种。
13.1.3 SnO2的基本性质
1.SnO2 物理性质: SnO2 是一种白色粉末，密度 为 6.16-7.02g/cm3 ， 熔 点 为 1127℃，在更主温度下才能分 解，沸点高于1900℃的金属气 化物。SnO2 不溶于水，能溶于 热强酸和碱。 2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构，具有正方晶 系对称，其晶胞为体心正交平 行六面体，体心和顶角由锡离 子占据。其晶胞结构如图 1016 所 示 ， 晶 格 常 数 为 a=0.475nm，c=0.319nm。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件
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
这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与 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，降 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。 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。
4、恢复时间trcc 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 trcc表示。 实际上，常用气敏元件从接触或 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， 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， 定义为响应时间和恢复时间。
Baidu Nhomakorabea
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，从而使表面带负电 1/2 O2（气）+ne→On- 吸附 （10-21）
式中On- 吸附——表示吸附氧；On- 吸附 ;e——电子电荷； ;n——个数。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
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型半导体来说， 形成电子势垒，使器件阻值升高。 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，从 而降低了器件阻值。 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。
Rs k Ro
气敏元件的灵敏度通常 用气敏元件在一定浓度 的检测气体中的电阻与 正常空气中的电阻之比 来表示灵敏度K。
13.2.1
SnO2主要性能参数 B
5、加热电阻RH 和加热功率PH 为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用RH 表示。气 敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用PH表示。 6、洁净空气电压U0 在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，定义为洁净空所中电压， 用U0表示。U0与R0的关系为
压降
U RL I c RL
U c RL U c RL 或 R （10-28） s Rs R U RL L
13.2.3气敏传感器的应用
1．半导体气敏元件的应用分类 按其用途可分为以下几种类型： （1）检漏仪或称探测器 它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气-电转换元件， 配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体探测 仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。 （2）报警器 这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。 （3）自动控制仪器 它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如 电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。 （4）测试仪器 它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体种类 和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配 以高精度测量电路。
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 系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 （ 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 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 （ 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。 （ 4 ）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能 良好。 （ 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。
13.1.6
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
表10-2 添加物对SnO2气敏效应的影响
检测气体 CO，C3H8
CH4，C3H8, CO
LPG，CO，城市煤气，酒精
使用温度（℃） 200～300 200～300
13.1.4 SnO2的气敏效应
1.经实验发现，多晶SnO2 对多种气体具有气敏特性。 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。 一般吸附还原 性气体时电导率升高。而 吸附氧化性气体时其电导 率降低。 这种阻值变化情 况如图10-17所示。
13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素
K U c1 Uc2
13.2.1
SnO2主要性能参数 D
9、回路电压Uc 测试SnO2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用Uc表 示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电 压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。 对旁热式SnO2气敏元件，一般取Uc=10V。
U cs U c RL U c RL 或R s U RL cs Rs RL
8、电压比Ku 电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物 理意义可按下式表示。 （10-26） 式中，Uc1和UC2——气敏元件在接触浓度为c1和c2的标定气体时负载电阻 上电压的稳定值。
200～300 250～300 250～400
CO，C3H8 酒精
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
高岭土（陶土）， Bi2O3 WO
13.1.6 SnO2气敏元件的结构
SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 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。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型 SnO2 气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质 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，另一 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。 这些施主能级上的电子，很容易激发到 导带而参与导电。
13.2.2基本测试电路
烧结型SnO2气敏元件基本测试电路如图10-21所示。 图10-21a为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路， 图10-21b、c采用交流电压测试旁热式气敏元件电路。 无论哪种电路，都必须包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路。现
以图10-21a为例，说明其测试原理。 图 10-21a 中与元件加热器组成加热回路，直流稳压电源供给测试回路电压 UH ， 式中 Ic—— 回路电流； 0-20V RL兼作取 URL直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，负载电阻 ——负载电阻上的 样电阻。从测量回路可得到
13.2.1
SnO2主要性能参数 A
标志元件性能的主要能数有： 1、电阻R0和Rs 固有电阻R0表示气敏元件在 正常空气条件下（或洁净条 件下）的阻值，又称正常电 阻。 工作电阻Rs代表气敏元件在 一定浓度的检测气体中的阻 值。 2、灵敏度K
3、响应时间trcs 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， 用trcs表示。
U0
U 0 RL U R 或R0 C L RL R0 RL U0
式中UC——测试回路电压；
RL——负载电阻。
13.2.1
SnO2主要性能参数 C
7、标定气体中电压Ucs SnO2 气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发 生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的 气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体，例如，QM-N5气 敏元件用0.1% 丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813气敏元件 用0.1% 甲烷（空气稀释）为标定气体等等。在标定气体中，气 敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用Ucs 表示。显然，Ucs与元件工作电阻Rs相关
13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件
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
1.优点： 制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使 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. 2.缺点: 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； 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。
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。
气敏传感器
13.1 概述
13.1.1
1.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。目前 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、费用低等特点。
2.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 SnO2 薄膜元 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。 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，其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场。 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.
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 材（料粒度在 1μ m 以下），添加不同物质， 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， 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。 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. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 种。
13.1.3 SnO2的基本性质
1.SnO2 物理性质: SnO2 是一种白色粉末，密度 为 6.16-7.02g/cm3 ， 熔 点 为 1127℃，在更主温度下才能分 解，沸点高于1900℃的金属气 化物。SnO2 不溶于水，能溶于 热强酸和碱。 2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构，具有正方晶 系对称，其晶胞为体心正交平 行六面体，体心和顶角由锡离 子占据。其晶胞结构如图 1016 所 示 ， 晶 格 常 数 为 a=0.475nm，c=0.319nm。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件
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
这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与 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，降 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。 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。
4、恢复时间trcc 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 trcc表示。 实际上，常用气敏元件从接触或 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， 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， 定义为响应时间和恢复时间。
Baidu Nhomakorabea
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，从而使表面带负电 1/2 O2（气）+ne→On- 吸附 （10-21）
式中On- 吸附——表示吸附氧；On- 吸附 ;e——电子电荷； ;n——个数。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
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型半导体来说， 形成电子势垒，使器件阻值升高。 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，从 而降低了器件阻值。 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。
Rs k Ro
气敏元件的灵敏度通常 用气敏元件在一定浓度 的检测气体中的电阻与 正常空气中的电阻之比 来表示灵敏度K。
13.2.1
SnO2主要性能参数 B
5、加热电阻RH 和加热功率PH 为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用RH 表示。气 敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用PH表示。 6、洁净空气电压U0 在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，定义为洁净空所中电压， 用U0表示。U0与R0的关系为
压降
U RL I c RL
U c RL U c RL 或 R （10-28） s Rs R U RL L
13.2.3气敏传感器的应用
1．半导体气敏元件的应用分类 按其用途可分为以下几种类型： （1）检漏仪或称探测器 它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气-电转换元件， 配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体探测 仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。 （2）报警器 这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。 （3）自动控制仪器 它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如 电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。 （4）测试仪器 它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体种类 和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配 以高精度测量电路。
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 系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 （ 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 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 （ 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。 （ 4 ）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能 良好。 （ 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。
13.1.6
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
表10-2 添加物对SnO2气敏效应的影响
检测气体 CO，C3H8
CH4，C3H8, CO
LPG，CO，城市煤气，酒精
使用温度（℃） 200～300 200～300
13.1.4 SnO2的气敏效应
1.经实验发现，多晶SnO2 对多种气体具有气敏特性。 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。 一般吸附还原 性气体时电导率升高。而 吸附氧化性气体时其电导 率降低。 这种阻值变化情 况如图10-17所示。
13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素
K U c1 Uc2
13.2.1
SnO2主要性能参数 D
9、回路电压Uc 测试SnO2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用Uc表 示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电 压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。 对旁热式SnO2气敏元件，一般取Uc=10V。
U cs U c RL U c RL 或R s U RL cs Rs RL
8、电压比Ku 电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物 理意义可按下式表示。 （10-26） 式中，Uc1和UC2——气敏元件在接触浓度为c1和c2的标定气体时负载电阻 上电压的稳定值。
200～300 250～300 250～400
CO，C3H8 酒精
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
高岭土（陶土）， Bi2O3 WO
13.1.6 SnO2气敏元件的结构
SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 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。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型 SnO2 气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质 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，另一 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。 这些施主能级上的电子，很容易激发到 导带而参与导电。
13.2.2基本测试电路
烧结型SnO2气敏元件基本测试电路如图10-21所示。 图10-21a为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路， 图10-21b、c采用交流电压测试旁热式气敏元件电路。 无论哪种电路，都必须包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路。现
以图10-21a为例，说明其测试原理。 图 10-21a 中与元件加热器组成加热回路，直流稳压电源供给测试回路电压 UH ， 式中 Ic—— 回路电流； 0-20V RL兼作取 URL直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，负载电阻 ——负载电阻上的 样电阻。从测量回路可得到
13.2.1
SnO2主要性能参数 A
标志元件性能的主要能数有： 1、电阻R0和Rs 固有电阻R0表示气敏元件在 正常空气条件下（或洁净条 件下）的阻值，又称正常电 阻。 工作电阻Rs代表气敏元件在 一定浓度的检测气体中的阻 值。 2、灵敏度K
3、响应时间trcs 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， 用trcs表示。
U0
U 0 RL U R 或R0 C L RL R0 RL U0
式中UC——测试回路电压；
RL——负载电阻。
13.2.1
SnO2主要性能参数 C
7、标定气体中电压Ucs SnO2 气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发 生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的 气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体，例如，QM-N5气 敏元件用0.1% 丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813气敏元件 用0.1% 甲烷（空气稀释）为标定气体等等。在标定气体中，气 敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用Ucs 表示。显然，Ucs与元件工作电阻Rs相关
13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件
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
1.优点： 制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使 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. 2.缺点: 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； 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。