电化学气体传感器ppt课件
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(优质)电化学传感器PPT课件
通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正、负极间 流动。测量该电流即可确定气体浓度。在实际中，由于电极表面连续发生电 化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致 传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。参考电极安装 在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电 极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体 分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接 相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气 体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气 体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：
《电化学传感器》PPT课件
❖为了缩短传感器的响应时间，一般采用多 孔的透气膜来研制气体扩散电极，此时气 体在催化剂外表液膜中的扩散将代替气体 在透气膜中的扩散而成为电极反响的控制 步骤。尽管液膜很薄，但由于气体在液相 中的扩散速度较慢，液膜便成为缩短传感 器响应时间的主要障碍。对于电流型气体 传感器这是无法抑制的缺点。目前90％该 类型传感器的响应时间在30s以内。
所以，当前传感器开发研究的重要之 一就是开发具有识别分子功能的优良 材料。
❖ 化学传感器依据其原理可分为：
(1)电化学式，(2)光学式，(3)热学式，(4) 质量式。
❖ 电化学传感器是化学传感器的一种。
电化学传感器分为电位型、电流型和 电导型三类。
§7.1 电位型传感器
❖电位型传感器通过测定电极平衡电位的值来确 定物质的浓度。
❖如将离子选择性电极与甘汞电极组成电池， 那么电池电动势为：
❖根据7-3式，只要配制一系列浓度的标准溶 液，并以测得的电动势E值与相应的浓度 〔对数〕值绘制校正曲线，即可按一样步骤 求得未知溶液中待测离子的浓度。
❖ 对于电位-PH计，只是把所有过程完成后， 直接显示酸度。
❖电流型电化学气体传感器有许多种已经商 品化，用于检测20余种气体。例如，煤矿 瓦斯、酒精、锅炉尾气〔排放是否达标、 燃烧是否充分〕等等。
2．控制电位电解型(电流型)气体传感器的工作 原理
〔1〕通过测定一定电位下的电流，间接测定 电解质溶液中待测气体的溶解浓度
〔2〕待测气体在一定条件下在这种电解质溶 液中的溶解度与其分压相关，从而得到这种 气体的浓度〔分压〕。
灵敏度是电化学传感器的一个重要的特性指 标，一些特殊行业如室内空气监测，海关 检查走私、违禁物品(药品，炸弹或其他易 燃易爆品)时，要求能检测10-9~10-12数 量级，甚至更低的物质浓度。电化学传感 器的灵敏度受许多因素的影响：
硫化氢电化学传感器精选 课件
总反应为 ������2S+2O2=H2SO4.
实验部分
基本性能 测试
������2S 气体传感器在 不同体积分数下的
气体响应曲线
线性测试
电流转换成电压输 出
温度测试
输出电压与气体体 积分数是线性相关
几种特定统计工具对传感器性能进行研究
• 先判断数据是否服从正态分布, 按照“统计 →基本统计量 → 正态性检验”来操 作, 从绘制出的概率图中可以获得一个 P 值, 若 P > 0.05, 则数据服从正态分布.
气体反应传感器采用电化学式H2S气敏传感器ME3，用来采集气
体信号，通过I/V转换，而后经过放大电路放大，输入给A/D （模拟数字转换器），经A/D转换后再进行处理。
电极反应过程如下:
工作电极������2S+4������2O=H2SO4+8H++8e−;
对电极为 8H++2O2+8e−=4H2O;
意义
H2S 是一种无色、 易燃、 有臭鸡蛋味的气体, 作为一种剧毒性物质, 对人体具有 一定的危害性, 因此监测 H2S 的浓度对人体健康有着重要意义.
选用统一的检测工具对传感器进行评估意义重大. 六西格玛统计工具能够运用界 定、 测量、 分析、 改进和控制模式, 对传感器性能进行有效评估, 使传感器的评 估过程更标准化和流程化, 并能结合相关资源提高企业的盈利水平及竞争能力。
六西格玛（Six Sigma，6 Sigma）是一种管理策略，它是由摩托罗拉提出的。这 种策略主要强调制定极高的目标、收集数据以及分析结果，通过这些来减少产品 和服务的缺陷。六西格玛背后的原理就是如果你检测到你的项目中有多少缺陷， 你就可以找出如何系统地减少缺陷，使你的项目尽量完美的方法。
实验部分
基本性能 测试
������2S 气体传感器在 不同体积分数下的
气体响应曲线
线性测试
电流转换成电压输 出
温度测试
输出电压与气体体 积分数是线性相关
几种特定统计工具对传感器性能进行研究
• 先判断数据是否服从正态分布, 按照“统计 →基本统计量 → 正态性检验”来操 作, 从绘制出的概率图中可以获得一个 P 值, 若 P > 0.05, 则数据服从正态分布.
气体反应传感器采用电化学式H2S气敏传感器ME3，用来采集气
体信号，通过I/V转换，而后经过放大电路放大，输入给A/D （模拟数字转换器），经A/D转换后再进行处理。
电极反应过程如下:
工作电极������2S+4������2O=H2SO4+8H++8e−;
对电极为 8H++2O2+8e−=4H2O;
意义
H2S 是一种无色、 易燃、 有臭鸡蛋味的气体, 作为一种剧毒性物质, 对人体具有 一定的危害性, 因此监测 H2S 的浓度对人体健康有着重要意义.
选用统一的检测工具对传感器进行评估意义重大. 六西格玛统计工具能够运用界 定、 测量、 分析、 改进和控制模式, 对传感器性能进行有效评估, 使传感器的评 估过程更标准化和流程化, 并能结合相关资源提高企业的盈利水平及竞争能力。
六西格玛（Six Sigma，6 Sigma）是一种管理策略，它是由摩托罗拉提出的。这 种策略主要强调制定极高的目标、收集数据以及分析结果，通过这些来减少产品 和服务的缺陷。六西格玛背后的原理就是如果你检测到你的项目中有多少缺陷， 你就可以找出如何系统地减少缺陷，使你的项目尽量完美的方法。
《气体传感器简介》课件
复合材料
通过组合不同材料的优点 ，实现气体传感器性能的 优化。
智能化与网络化的发展
智能化
通过集成微处理器和算法，实现气体 传感器的自动校准、数据分析和远程 控制等功能。
网络化
将气体传感器接入互联网，实现数据 的实时传输、远程监控和跨区域的数 据共享。
在环保监测领域的应用前景
大气污染监测
用于监测空气中的有害气 体和温室气体，为环境保 护提供数据支持。
详细描述
电化学气体传感器利用气体在电极表面发生的电化学反应来检测气体的浓度。这种传感器通常由至少两个电极组 成，其中一个电极是敏感电极，能够与被测气体发生反应，另一个电极作为参照电极。通过测量电化学反应产生 的电流或电压来计算气体的浓度。
光学气体传感器
总结词
基于不同气体对光的吸收或反射不同的原理进行检测。
详细描述
光学气体传感器利用不同气体对特定波长的光具有不同的吸收或反射特性，通过测量光通过气体时发 生的变化来检测气体的浓度。这种传感器通常由光源、光路和检测器组成，通过测量光强的变化来计 算气体的浓度。
固态电解质气体传感器
总结词
基于气体在固态电解质中的离子传导性 能不同的原理进行检测。
VS
详细描述
工作原理
电化学传感器
利用电化学反应检测气体，通 过测量电流或电压变化来推断
气体浓度。
半导体传感器
利用气敏材料的电阻变化来检 测气体，当气体与敏感材料接 触时，电阻发生变化，从而检 测气体浓度。
红外传感器
利用红外线吸收原理检测气体 ，通过测量气体对红外线的吸 收程度来推断气体浓度。
催化燃烧传感器
利用催化燃烧原理检测气体， 当气体与敏感材料接触时，发 生催化燃烧反应，从而检测气
气体传感器介绍 ppt课件
称为该气体或蒸气的爆炸下限。 ppm：百万分之一。 ppb：十亿分之一。
专业成就卓越
部分可燃性气体、液体爆炸分类表
气体名称
甲烷 丙烷 乙烯 氢气 一氧化碳 天然气 液化石油气 城市煤气 煤油 乙醇 丙酮 甲醛 苯
爆炸极限(%)
下限
上限
5
15
2.2
9.5
3.1
32
4.0
75
12.5
74
5
15
物理类气体传感器:光电传感器、热电传感器、 压电传感器、磁电传感器、气电传感器、波 式和射线射线传感器等。
3、气体传感器常用术语
专业成就卓越
灵敏度：元件在规定的工作条件下，其在一定的气体浓度下的输出（电压、电流、 电阻等，下同）与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值。
响应时间：传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值的规定 的百分比（一般为70%或90%）时所需的时间。
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0
0
MMQQ--44S对 甲甲 烷烷响的应响恢应复恢曲复曲 线线
3
4
30
0.7
5
3.3
19
2.15
13
7
73
1.2
8
比重 (空气=1)
0.55 1.56
0.069 0.967
<1 >1 0.4 4∽5 1.59 2.0
发火点 537.8 467.8 585 608
210 363
4、气体传感器应用实例
专业成就卓越
重庆川东油田井喷 死300-人
2003年12月23日22 时许，重庆市开 县境内川东北气 矿一矿井发生天 然气井喷事故， 造成人员严重伤 亡。
专业成就卓越
部分可燃性气体、液体爆炸分类表
气体名称
甲烷 丙烷 乙烯 氢气 一氧化碳 天然气 液化石油气 城市煤气 煤油 乙醇 丙酮 甲醛 苯
爆炸极限(%)
下限
上限
5
15
2.2
9.5
3.1
32
4.0
75
12.5
74
5
15
物理类气体传感器:光电传感器、热电传感器、 压电传感器、磁电传感器、气电传感器、波 式和射线射线传感器等。
3、气体传感器常用术语
专业成就卓越
灵敏度：元件在规定的工作条件下，其在一定的气体浓度下的输出（电压、电流、 电阻等，下同）与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值。
响应时间：传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值的规定 的百分比（一般为70%或90%）时所需的时间。
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0
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MMQQ--44S对 甲甲 烷烷响的应响恢应复恢曲复曲 线线
3
4
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0.7
5
3.3
19
2.15
13
7
73
1.2
8
比重 (空气=1)
0.55 1.56
0.069 0.967
<1 >1 0.4 4∽5 1.59 2.0
发火点 537.8 467.8 585 608
210 363
4、气体传感器应用实例
专业成就卓越
重庆川东油田井喷 死300-人
2003年12月23日22 时许，重庆市开 县境内川东北气 矿一矿井发生天 然气井喷事故， 造成人员严重伤 亡。
气电式传感器资料课件
敏感元件通常由一种特殊的金属氧化物制成，这种金属氧化物对某些气体成分具有 很高的敏感度。
敏感元件的形状和大小会影响其响应速度和灵敏度。
测量电路
测量电路通常由一个恒电位电源、一个负载电阻和敏 感元件组成。
测量电路是用来将敏感元件的物理变化转化为电信号 的电路。
当敏感元件受到被测气体的影响时，其阻值会发生变 化，从而引起负载电阻上的电压变化。这个电压变化 就可以被用来进行进一步的处理和输出。
气电式传感器通常由敏感元件、转换元件和信号处理电路组 成，敏感元件用于感受被测参数的变化，转换元件将变化转 换成电信号输出，信号处理电路对输出信号进行放大、滤波、 线性化等处理。
气电式传感器的工作原理
01
气电式传感器的工作原理是基于 气体分子吸附在敏感材料上会引 起材料电阻、电容等物理性质的 变化，从而引起电信号的变化。
在化工领域，气电式传感器可以用于监 测化工原料的成分和流量，提高生产效 率和产品质量。
在环保领域，气电式传感器可以用于监 测大气中的污染物浓度，为空气质量监 测提供数据支持。
在能源领域，气电式传感器可以用于测 量燃气流量和燃气泄漏，保障能源安全。
02
气电式传感器技术特点
灵敏度高
气电式传感器采用先进的电子元件和 信号处理技术，具有高灵敏度，能够 检测微小的气体浓度变化。
高度集成与智能化
未来的气电式传感器将朝着高度 集成和智能化的方向发展，实现 多参数同时检测、远程传输和自
诊断等功能。
微型化与便携化
为了满足移动性和现场快速检测的 需求，气电式传感器将逐渐向微型 化和便携化方向发展。
互联网+物联网
结合互联网和物联网技术，实现传 感器数据的实时传输、远程监控和 共享，提高传感器应用的范围和效果。
敏感元件的形状和大小会影响其响应速度和灵敏度。
测量电路
测量电路通常由一个恒电位电源、一个负载电阻和敏 感元件组成。
测量电路是用来将敏感元件的物理变化转化为电信号 的电路。
当敏感元件受到被测气体的影响时，其阻值会发生变 化，从而引起负载电阻上的电压变化。这个电压变化 就可以被用来进行进一步的处理和输出。
气电式传感器通常由敏感元件、转换元件和信号处理电路组 成，敏感元件用于感受被测参数的变化，转换元件将变化转 换成电信号输出，信号处理电路对输出信号进行放大、滤波、 线性化等处理。
气电式传感器的工作原理
01
气电式传感器的工作原理是基于 气体分子吸附在敏感材料上会引 起材料电阻、电容等物理性质的 变化，从而引起电信号的变化。
在化工领域，气电式传感器可以用于监 测化工原料的成分和流量，提高生产效 率和产品质量。
在环保领域，气电式传感器可以用于监 测大气中的污染物浓度，为空气质量监 测提供数据支持。
在能源领域，气电式传感器可以用于测 量燃气流量和燃气泄漏，保障能源安全。
02
气电式传感器技术特点
灵敏度高
气电式传感器采用先进的电子元件和 信号处理技术，具有高灵敏度，能够 检测微小的气体浓度变化。
高度集成与智能化
未来的气电式传感器将朝着高度 集成和智能化的方向发展，实现 多参数同时检测、远程传输和自
诊断等功能。
微型化与便携化
为了满足移动性和现场快速检测的 需求，气电式传感器将逐渐向微型 化和便携化方向发展。
互联网+物联网
结合互联网和物联网技术，实现传 感器数据的实时传输、远程监控和 共享，提高传感器应用的范围和效果。
电化学传感器PPT课件
编辑版pppt
5
二、电化学分析法分类
电位分析法（电极电位）
直接电位法: 电极电位与溶液中电活性物质 的活度有关。
电位滴定: 用电位测量装置指示滴定分析过 程中被测组分的浓度变化。
研制各种高灵敏度、高选择性的 电极是电位分析法最活跃的研究 领域之一。
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6
电解与库仑分析法（电量）
电解分析:
7
极谱与伏安分析(电流－电压曲线)
伏安分析：通过测定特殊条 件下的电流—电压曲线来分析 电解质的组成和含量的一类分 析方法的总称。
极谱法：使用滴汞电极的一 种特殊的伏安分析法。
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8
循环伏安法（CV）
• 循环伏安法可用于研究化合物电极过程的机理、双电层、吸附现象 和电极反应动力学．成为最有用的电化学方法之一。
• 对于符合Nernst方程的可逆电极反应，在25℃时：
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11
电导分析法（电导）
普通电导法：高纯水质测定，弱酸测定 高频电导法：电极不与试样接触
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12
计时分析法(chronoanalysis)
在电分析化学中，记录电流或电极电势等与时间的关系 曲线的方法称为计时分析法．
• 记录电流一时间的关系方法，称为计时电流法． • 记录电势一时间的关系方法，称为计时电势法。 • 记录电量一时间关系的方法，称为计时库仑法。 是研究电极过程和吸附的极好方法。
编辑版pppt
18
如何实现信号转化
电化学传感器就是将分析对象的化学信息转换成电 信号的传感装置。从1906年第一支化学传感器产生 以来，大半个世纪中化学传感器的信号转换均集中 在将化学信息直接以电信号（如电流、电位、电阻 等）表达的方式上。
气体电化学传感器PPT课件
B.电极：电极材料一般为催化材料，能够长时间内执行半电解反应。通常电 极采用贵金属制造，如铂或进，在催化后与气体分子发生有效反应。根据 传感器类型的不同，
C.电解质：电解质必须有能够促进电解反应，有效将离子电荷传送到电极 的能力。电解质与参考点击形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料 兼容。若电解质蒸发太迅速，传感器信号将减弱。
第4页/共25页
恒定电位电解池型气体传感器
工作过程：
（1）被测气体进入传感器的气室：通过气体扩散或机械泵；先经 过一个过滤器---提高选择性。
（2）反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向电极-电解液 界面扩散：工作电极一般不暴露在外，所以气体先经过多孔膜；多 孔膜的作用：防止泄漏，给电极提供结构支持，再次提高选择性。
• 氧气进入膜后在电极ຫໍສະໝຸດ 面迅速还原，外电路检测的氧气还原电流正比 氧气的浓度。
第11页/共25页
伽伏尼电池型气体传感器：
• Clark电极是一种封闭式电极，它用一疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测的氧可以通过透气膜 扩散到电极内，而待测溶液中的其他杂质不能透过，这样可以有效地防止电极被待测溶液中某些组分污染而 中毒。
（3）电活性物质在电解液中的溶解：气体在电解液中的溶解速率 在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应时间。
（4）电活性物质在电极表面吸附：待测气体扩散到催化剂电极表 面发生氧化或还原反应，氧化或还原反应速率的大小与气体在电极 表面的吸附密切相关。
（5）扩散速度下的电化学反应：当扩散步骤为速率控制步骤时， 整个反应可以由Cottrell方程描述。
第7页/共25页
恒定电位电解池型气体传感器
应用实例：
一种基于CAN总线的CO气体监测系统
气体传感器PPT演示文稿
多采用烧结工艺，以多孔SnO2陶瓷为基底材料，再添加不同 的其他物质，用制陶工艺烧结而成，烧结时埋入加热电阻丝和测 量电极。此外，还有薄膜型与厚膜型两种工艺。
烧结型
电极(铂丝) 氧化物半导体
加热 器 玻璃(尺寸 约1 mm，也有 全为
半导 体的 ) (a)
半导 体 0.5 mm 电极
厚膜型
3 mm
0.6 mm
(b)
a b
V (c)
Schottky二极管
通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层 无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金 属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。
9
2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.2 MOSFET型气敏器件
气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改 变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值 电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。
当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液 中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。
高浓度氧 O2
低浓度氧 O2
设电极的氧分压分别为PO2 (1)、PO2 (2) ，则
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
电路可以测出氢气浓度。
氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性
11
3 固体电解质气体传感器
固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，
烧结型
电极(铂丝) 氧化物半导体
加热 器 玻璃(尺寸 约1 mm，也有 全为
半导 体的 ) (a)
半导 体 0.5 mm 电极
厚膜型
3 mm
0.6 mm
(b)
a b
V (c)
Schottky二极管
通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层 无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金 属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。
9
2.2 非电阻型半导体气敏器件
2.2.2 MOSFET型气敏器件
气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改 变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值 电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。
当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液 中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。
高浓度氧 O2
低浓度氧 O2
设电极的氧分压分别为PO2 (1)、PO2 (2) ，则
在两电极发生如下反应：
()极P ： O2(2), 2O2O24e ()极P ： O2(1), O24e2O2
电路可以测出氢气浓度。
氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性
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3 固体电解质气体传感器
固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，
气体传感器简介ppt课件
红外线气体传感器基本机构 （由光学部件和测量电路构成，测量电路的
结构由光学部件及系统功能决定）
精选ppt课件2021
10
接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器：
接触燃烧式气体传感器分为 直接接触燃烧式、 催化接触燃烧式
特性： 对不燃烧气体不敏感，，具 有广谱特性即能检测各种可 燃气体，亦称为热导性传感
发生原理：
气体传感器通过测量它附近气体浓度与气体相互作用，每种气体 都有一个独特的电场，传感器通过这些电场来识别气体，在装置 内通过测量电流放电来决定气体浓度。
精选ppt课件2021
3
气体传感器分类
电化学式 气体传 感器
半导体氧化 物型气体 传感器
热导气体 传感器
红外线型 气体传 感器
接触燃烧 式气体 传感器
工业用气的传感器
检测以及科学测量等领域
英国Alphasense
Dynament炜盛
Alphasense是位于英国的气体传 感器公司，主要产品是O2、有毒 气体和易燃气体传感器。该公司 传感器技术涵盖了电化学，催化，
光学和半导体四种类
国内方面，主要的气体传感器企 业有炜盛科技，天津费加罗（中 日合资），718所。重庆煤科院和 山西腾星等，其中，炜盛科技是 目前国内唯一能生产半导体类， 催化燃烧，电化学和红外光学的企业
器
工作原理： 气敏材料（如Pt电热丝）在 通电状态下，可燃气体氧化 燃烧，或在催化剂下氧化燃 烧，电热丝由此升温，从而
阻值发生变化。
精选ppt课件2021
11
热导气体传感器
热导池式气体传感器
每一种气体，都有自己特定的热导率，当两个和多个气体的热导 率差别较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分的含量。 这种传感器已经传感器地用于氢气的检测、二氧化碳的检测、高 浓度甲烷的检测。
气体传感器行业背景分析ppt课件
传感器行业背景
工业发展
各种废气
破坏环境生态平衡
酸雨、温室效应、臭氧层破坏等
安Hale Waihona Puke 隐患火灾、爆炸、中毒等➢ 随着人们环保意识的增强以及各国对有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，各种气体 监测及预警装置正在得到越来越广泛的应用。
➢ 在世界范围内，气体传感器市场正处于急速扩张的阶段，其中电化学气体传感器以体积小、 检测速度快、可在线连续检测等独特优点，越来越受到人们的普遍青睐。
深安旭专注气敏元件及各类型传感器核心部件研发，立足于担载型贵金属 催化剂及精密光路设计，依托燃料电池、电化学、载体催化、红外散射及荧光 猝灭等核心技术，长期致力于智能电网、工业安全、环境监测及空气质量监测 等领域高品质传感器的研发与应用。并为客户提供完整的产品解决方案。
公司始终秉持“拥有自主知识产权，独创行业换代产品” 之理念，本着开 拓创新、追求卓越的精神致力于推动民族传感事业的发展，并执着于打造成为 物联网产业领域的世界知名传感企业。
➢ 国家产业政策鼓励电化学气体传感器产业向高新技术产品方向发展。 ➢ 目前国内市场上流通的电化学气体传感器90%以上依赖于进口；国内从事电化学气体传感器
自主研发和生产的企业甚少。
公司简介
深安旭成立于2002年，公司位于深圳市南山区高新技术产业园，是国家级 高新技术企业。拥有数十项国内外发明专利及非专利核心技术。填补了多项国 内空白。
发展历程
2010年仅印度出口 销售额突破千万元
公司荣获 “国家重点新产品” “高新技术企业证书”
研制燃料电池型 变压器油中气体 在线监测系统
成长壮 大阶段
发展阶段 2009-2011年
2005-2008年
初创阶段
2002-2004年
工业发展
各种废气
破坏环境生态平衡
酸雨、温室效应、臭氧层破坏等
安Hale Waihona Puke 隐患火灾、爆炸、中毒等➢ 随着人们环保意识的增强以及各国对有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，各种气体 监测及预警装置正在得到越来越广泛的应用。
➢ 在世界范围内，气体传感器市场正处于急速扩张的阶段，其中电化学气体传感器以体积小、 检测速度快、可在线连续检测等独特优点，越来越受到人们的普遍青睐。
深安旭专注气敏元件及各类型传感器核心部件研发，立足于担载型贵金属 催化剂及精密光路设计，依托燃料电池、电化学、载体催化、红外散射及荧光 猝灭等核心技术，长期致力于智能电网、工业安全、环境监测及空气质量监测 等领域高品质传感器的研发与应用。并为客户提供完整的产品解决方案。
公司始终秉持“拥有自主知识产权，独创行业换代产品” 之理念，本着开 拓创新、追求卓越的精神致力于推动民族传感事业的发展，并执着于打造成为 物联网产业领域的世界知名传感企业。
➢ 国家产业政策鼓励电化学气体传感器产业向高新技术产品方向发展。 ➢ 目前国内市场上流通的电化学气体传感器90%以上依赖于进口；国内从事电化学气体传感器
自主研发和生产的企业甚少。
公司简介
深安旭成立于2002年，公司位于深圳市南山区高新技术产业园，是国家级 高新技术企业。拥有数十项国内外发明专利及非专利核心技术。填补了多项国 内空白。
发展历程
2010年仅印度出口 销售额突破千万元
公司荣获 “国家重点新产品” “高新技术企业证书”
研制燃料电池型 变压器油中气体 在线监测系统
成长壮 大阶段
发展阶段 2009-2011年
2005-2008年
初创阶段
2002-2004年
电化学传感器ppt课件
精选PPT课件
4
四、电化学气体型传感器
传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工 作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一 个薄电解层隔开。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障， 最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应， 以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与 传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化或还原机理。这些反应由针对被 测气体而设计的电极材料进行催化。
精选PPT课件
5
4.1 组成
电化学传感器包含以下主要元件：
A. 透气膜（也称为憎水膜）：透气膜用于覆盖传感（催化） 电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。 此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器 称为镀膜传感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖， 而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称 为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜 还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子 量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应 能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该 防止液态电解质泄漏或迅速燥结。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
精选PPT课件
7
4.2 应用实例
电化学电极
电位型电极 电流型电极
离子选择电极 氧化还原电极
氧电极
电化学传感器综述ppt课件
10
二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社 会的可持续发展；
目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕 获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。
化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但 仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵；
以测得的电动势 E 值与相应的 lgaMn+值绘制工作曲线，即可
求得未知溶液中待测离子的浓度。
9
离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的 电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、 Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选 择性电极；
利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成 F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极
3
化学传感器的分类：
按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的 各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利 用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式； ③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的 浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体 系中化学组份实时信息的一类器件。
19
特点：灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量
少、可微型化、价格低廉等。
分类：电化学式和光学式；
生物电化学传感器：电位式、电流式和电导式；
研究和应用最多的是酶传感器。
1962年 Clark等人提出将酶作为与电极结合试剂，并通过检测其 酶催化反应所消耗的氧气来测定葡萄糖的含量。
二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社 会的可持续发展；
目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕 获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。
化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但 仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵；
以测得的电动势 E 值与相应的 lgaMn+值绘制工作曲线，即可
求得未知溶液中待测离子的浓度。
9
离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的 电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、 Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选 择性电极；
利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成 F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极
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化学传感器的分类：
按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的 各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利 用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式； ③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的 浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体 系中化学组份实时信息的一类器件。
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特点：灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量
少、可微型化、价格低廉等。
分类：电化学式和光学式；
生物电化学传感器：电位式、电流式和电导式；
研究和应用最多的是酶传感器。
1962年 Clark等人提出将酶作为与电极结合试剂，并通过检测其 酶催化反应所消耗的氧气来测定葡萄糖的含量。
电化学气体传感器ppt课件
14 气 体 传 感 器
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量 输出的装置或器件。
气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。
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，按构成气体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体传感器。
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。
.
15
（2）气敏元件的灵敏度 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
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。
（6）气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气 敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中 阻值的63％时所需时间。
B R ~220V
氖管
气敏传感器
BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
.
21
.
19
14.3
半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时 间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：
检测
报警
监控
烟雾报警器
.
酒精传感器
二氧化碳传感器
这是气敏元件应用电路的主体部分。 下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体 浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用 热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然 后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图145(a)所示。
《电化学生物传感器》课件
在医疗诊断中的应用
血糖监测
糖尿病患者可使用电化学 生物传感器方便地监测血 糖水平，调整治疗方案。
疾病诊断
通过检测生物标志物，电 化学生物传感器有助于早 期诊断癌症、传染病等疾 病。
药物浓度监测
在药物治疗过程中，实时 监测药物浓度有助于确保 治疗效果并防止药物过量 。
在食品检测中的应用
农药残留检测
生物科学研究
在药物筛选、基因表达分析等领域发挥重要作用，促进生物科学研 究的发展。
电化学生物传感器的实验操
05
作与演示
实验操作流程
实验准备
确保实验室环境干净整洁 ，避免干扰实验结果。
准备实验器材和试剂，包 括电化学工作站、电极、 电解质溶液等。
实验操作流程
实验操作步骤
1
2
按照实验指导书搭建实验装置，连接电化学工作 站与电极。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性、快速响应等特点，广泛应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等 领域。
生物传感器的重要性
01 生物传感器在环境监测中能够快速、准确地检测 出污染物，为环境保护提供有力支持。
02 在食品安全领域，生物传感器能够检测出食品中 的有害物质，保障消费者的健康。
02 在医疗诊断中，生物传感器能够实现无创、快速 、准确的检测，提高医疗质量和效率。
3
加入电解质溶液，记录电化学信号的变化。
实验操作流程
根据实验需要，调整实验参数，如扫描速度、扫 描范围等。 在实验过程中，保持恒温，避免外界干扰。
数据采集与分析
实验操作流程
01 使用电化学工作站采集数据，记录电化学信号随
时间的变化。
02
对采集的数据进行整理、分析和处理，提取有用 的信息。
气体传感器综述论文PPT课件
2.4.2红外线气体传感器的基本机构
由光学部件和测量电路构成，测量 电路的结构由光学部件及系统功能决定
红外辐射光源
使用广谱光源 光谱覆盖波长 从1μm到15～
20μm
பைடு நூலகம்气室
抽取式测量的红 外仪器需要气室
红外检测器
用于检测通过气 室的红外光能
2.4.3红外线气体传感器的发展
在线红外气体分析器常用的有五种类型：薄膜微音红外气体分 析器，微流量红外气体分析器；气体滤波相关红外气体分析器，半导 体红外气体分析器，傅立叶红外气体分析器。
•优点：这种传感器成本低廉，具有快速、简便等优点。并且适宜于民用 气体检测的需求。 •缺点：这些氧化物半导体的纯相是光谱性敏感材料，具有灵敏度低、选 择性不好、稳定性较差、且有的电阻大等缺点，同时受环境影响较大； 尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因 此，不宜应用于计量准确要求的场所。
现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气 体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性 能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。
2气体传感器的分类及常用传感器的工作原理
气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、 绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电 位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡 型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。
因此，随着人们对电化学传感器的进一步研究和深入发展，电化学气 体传感器研究将向如下方向发展：高灵敏度、高稳定性、长使用寿命 、便携式、微型化、智能化。可以断言，电化学传感器的明天必将海 阔天空。
2.6光纤气体传感器
2.6.1光纤气体传感器的背景
光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十 多年的发展，它己应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、 有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气 体的分析[28-32]。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感 器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年一2002年光纤气体传 感器年均增长率为27%-30%，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。
由光学部件和测量电路构成，测量 电路的结构由光学部件及系统功能决定
红外辐射光源
使用广谱光源 光谱覆盖波长 从1μm到15～
20μm
பைடு நூலகம்气室
抽取式测量的红 外仪器需要气室
红外检测器
用于检测通过气 室的红外光能
2.4.3红外线气体传感器的发展
在线红外气体分析器常用的有五种类型：薄膜微音红外气体分 析器，微流量红外气体分析器；气体滤波相关红外气体分析器，半导 体红外气体分析器，傅立叶红外气体分析器。
•优点：这种传感器成本低廉，具有快速、简便等优点。并且适宜于民用 气体检测的需求。 •缺点：这些氧化物半导体的纯相是光谱性敏感材料，具有灵敏度低、选 择性不好、稳定性较差、且有的电阻大等缺点，同时受环境影响较大； 尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因 此，不宜应用于计量准确要求的场所。
现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气 体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性 能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。
2气体传感器的分类及常用传感器的工作原理
气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、 绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电 位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡 型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。
因此，随着人们对电化学传感器的进一步研究和深入发展，电化学气 体传感器研究将向如下方向发展：高灵敏度、高稳定性、长使用寿命 、便携式、微型化、智能化。可以断言，电化学传感器的明天必将海 阔天空。
2.6光纤气体传感器
2.6.1光纤气体传感器的背景
光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十 多年的发展，它己应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、 有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气 体的分析[28-32]。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感 器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年一2002年光纤气体传 感器年均增长率为27%-30%，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。
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.
(1) MOS二极管气敏器件
MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用 热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然 后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图145(a)所示。
M(Pd) SiO2 P—Si
C
Ca
氢气中
空气中
Cs
O
V
(a)
(b)
(c)
图 14-5 MOS二极管结构和等效电路
(a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
.
14.3 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
.
14.2 半导体气体传感器。
半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接 触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导 体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控 制型。 表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生 电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化， 但内部化学组成不变； 体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成 发生变化，而使. 电导率变化。
.
器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
.
14.2.2
1. 电阻型半导体气体传感器
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应
（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
加热极兼电极
SnO2烧结体
3
41
3
1
2
4
2
(a)结构
(b)符号
直接加热式气敏器件结构及符号
.
由芯片(敏感体和加热器)，基 座和金属防爆网罩三部分组成 。 因其热容量小、稳定性差，测 量电路与加热电路间易相互干 扰，加热器与SnO2基体间由于 热膨胀系数的差异而导致接触 不良，造成元件的失效，现已 很少使用。
10
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极
6
1
4
加热器电阻值一
2
3 般为30Ω～40Ω
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
Ø18.4 100目不锈钢网
45°
4 3
5
23
2
6
45°
17
Ø1
7
气.敏元件外形和引出线分布
11
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。 MOS 二 极 管 的 电 容 — 电 压 特 性 的 变 化 以 及 MOS 场 效 应 晶 体 管 (MOSFET) 的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。 由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能 稳定且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别 敏感。
14.2 半导体气体传感器。
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非 电阻型。 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时， 其阻值变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极 管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测 被测气体的。
.
14.2.1 半导体气体传感器的机理 半导体气体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，在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物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸 附处（化学吸附）。
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。
.
15
（2）气敏元件的灵敏度 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
✓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)时， 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。例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、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气 体或电子供给性气体。
第14章气体传感器
.
14.1 概述
14 气 体 传 感 器
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量 输出的装置或器件。
气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。
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，按构成气体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体传感器。
用最广泛性。
半导 体 0.5 mm 电极
电极(铂丝) 氧化物半导体
3 mm
0.6 mm
加热 器
玻璃 (尺寸 约1 mm，也有 全为 半导 体的 )
(a)
图14-2 (a) .烧结型元件；
加热器 电极 3 mm
(b)
(b) 薄膜型元件
绝缘 基片
0 .5 (单位 : mm)
33
氧化 物半 导体 P t 电极 氧化 铝基 片
.
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半 导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导 体上时，则载流子增多，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。 N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
7
器件 加热 用的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型元件
.
烧结型SnO2气敏元件
其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材
料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于 检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分 为直接加热式和旁热式两种。
(1) MOS二极管气敏器件
MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用 热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然 后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图145(a)所示。
M(Pd) SiO2 P—Si
C
Ca
氢气中
空气中
Cs
O
V
(a)
(b)
(c)
图 14-5 MOS二极管结构和等效电路
(a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
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14.3 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
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14.2 半导体气体传感器。
半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接 触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导 体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控 制型。 表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生 电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化， 但内部化学组成不变； 体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成 发生变化，而使. 电导率变化。
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器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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14.2.2
1. 电阻型半导体气体传感器
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应
（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
加热极兼电极
SnO2烧结体
3
41
3
1
2
4
2
(a)结构
(b)符号
直接加热式气敏器件结构及符号
.
由芯片(敏感体和加热器)，基 座和金属防爆网罩三部分组成 。 因其热容量小、稳定性差，测 量电路与加热电路间易相互干 扰，加热器与SnO2基体间由于 热膨胀系数的差异而导致接触 不良，造成元件的失效，现已 很少使用。
10
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极
6
1
4
加热器电阻值一
2
3 般为30Ω～40Ω
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
Ø18.4 100目不锈钢网
45°
4 3
5
23
2
6
45°
17
Ø1
7
气.敏元件外形和引出线分布
11
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。 MOS 二 极 管 的 电 容 — 电 压 特 性 的 变 化 以 及 MOS 场 效 应 晶 体 管 (MOSFET) 的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。 由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能 稳定且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别 敏感。
14.2 半导体气体传感器。
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非 电阻型。 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时， 其阻值变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极 管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测 被测气体的。
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14.2.1 半导体气体传感器的机理 半导体气体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，在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物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸 附处（化学吸附）。
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。
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（2）气敏元件的灵敏度 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
✓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)时， 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。例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、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气 体或电子供给性气体。
第14章气体传感器
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14.1 概述
14 气 体 传 感 器
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量 输出的装置或器件。
气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。
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，按构成气体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体传感器。
用最广泛性。
半导 体 0.5 mm 电极
电极(铂丝) 氧化物半导体
3 mm
0.6 mm
加热 器
玻璃 (尺寸 约1 mm，也有 全为 半导 体的 )
(a)
图14-2 (a) .烧结型元件；
加热器 电极 3 mm
(b)
(b) 薄膜型元件
绝缘 基片
0 .5 (单位 : mm)
33
氧化 物半 导体 P t 电极 氧化 铝基 片
.
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半 导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导 体上时，则载流子增多，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。 N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
7
器件 加热 用的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型元件
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烧结型SnO2气敏元件
其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材
料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于 检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分 为直接加热式和旁热式两种。