半导体气敏传感器概述、机理、结构和应用
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当半导体材料的分子相对于吸附分子来说 易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变 成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。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。如果半导体材料的分子 相对于吸附分子来说易于得到电子，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。
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1.气 敏 传 感 器
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。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用 的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存 在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物， 附着在元件表面，往往会使其性能变差。
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1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。
它采用蒸发或溅射工艺，
在石英基片上形成氧化物
ห้องสมุดไป่ตู้
半导体薄膜（其厚度约在
100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法
简单。实验证明，SnO2半 导体薄膜的气敏特性最好，
但这种半导体薄膜为物理
性附着，因此器件间性能 图2 气敏半导体传感器的器件结构
差异较大。
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1.气 敏 传 感 器
酒精测试仪
呼气管
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1.气 敏 传 感 器
（2）非电阻型型气敏传感器 主要有二极管、场效应晶体管（FET）和电容型
几种。 二极管气敏传感器是利用一些气体被金属与半导
体界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影 响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成。
场效应晶体管（FET）型是根据栅压阀值的变化 来检测未知气体。
电容型是根据CaO-BaTi3等复合氧化物随CO2 浓度的变化，其静电容量有很大变化而制成。
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1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
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1.气 敏 传 感 器
二、半导体气敏传感器 的机理
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。
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1.气 敏 传 感 器
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1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化
石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO） 、天然气（主要是甲烷）。 如利用SnO2气敏元件可做酒 精探测器，当酒精气体被检 测到时，气敏元件电阻值降低 ，测量回路有信号输出，提供 给电表显示或指示灯发亮。需 提供加热电源。
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1.气 敏 传 感 器
半导体气敏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、半导体性质等物理性质变化 来检测气体的。
气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时， 通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。金属氧化物 半导体分为：N型半导体，如氧化锡，氧化铁，氧化 锌，氧化钨等；P型半导体，如氧化钴，氧化铅，氧 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
图3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号 19
1.气 敏 传 感 器
旁热式气敏器件的结构及符号如图4所示，它是将加
热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，
在金电极外涂上SnO2等材料。它克服了直热式结构的缺 点，使测量极和加热极分离，避免了测量回路和加热回
半导体气 敏 传 感 器概述、机 理、结构和应用
一、概述 二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
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1.气 敏 传 感 器
一、概述 气敏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，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类别可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体 气敏传感器。
图2 (c) 厚 膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝 直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热 丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成 本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测 量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
(b) 薄膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，从而提 高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在 200~400℃左右。
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1.气 敏 传 感 器
图2(a)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，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 半导瓷。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，因此应用受到一 定限制。
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
1.气 敏 传 感 器
三、半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器 按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
图1表示了气体接触 N型半导体时所产生的 器件阻值变化情况。空 气中气体含量恒定，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、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等
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1.气 敏 传 感 器
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。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用 的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存 在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物， 附着在元件表面，往往会使其性能变差。
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1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。
它采用蒸发或溅射工艺，
在石英基片上形成氧化物
ห้องสมุดไป่ตู้
半导体薄膜（其厚度约在
100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法
简单。实验证明，SnO2半 导体薄膜的气敏特性最好，
但这种半导体薄膜为物理
性附着，因此器件间性能 图2 气敏半导体传感器的器件结构
差异较大。
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1.气 敏 传 感 器
酒精测试仪
呼气管
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1.气 敏 传 感 器
（2）非电阻型型气敏传感器 主要有二极管、场效应晶体管（FET）和电容型
几种。 二极管气敏传感器是利用一些气体被金属与半导
体界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影 响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成。
场效应晶体管（FET）型是根据栅压阀值的变化 来检测未知气体。
电容型是根据CaO-BaTi3等复合氧化物随CO2 浓度的变化，其静电容量有很大变化而制成。
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1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
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1.气 敏 传 感 器
二、半导体气敏传感器 的机理
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。
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1.气 敏 传 感 器
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1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化
石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO） 、天然气（主要是甲烷）。 如利用SnO2气敏元件可做酒 精探测器，当酒精气体被检 测到时，气敏元件电阻值降低 ，测量回路有信号输出，提供 给电表显示或指示灯发亮。需 提供加热电源。
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1.气 敏 传 感 器
半导体气敏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、半导体性质等物理性质变化 来检测气体的。
气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时， 通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。金属氧化物 半导体分为：N型半导体，如氧化锡，氧化铁，氧化 锌，氧化钨等；P型半导体，如氧化钴，氧化铅，氧 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
图3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号 19
1.气 敏 传 感 器
旁热式气敏器件的结构及符号如图4所示，它是将加
热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，
在金电极外涂上SnO2等材料。它克服了直热式结构的缺 点，使测量极和加热极分离，避免了测量回路和加热回
半导体气 敏 传 感 器概述、机 理、结构和应用
一、概述 二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
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1.气 敏 传 感 器
一、概述 气敏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，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类别可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体 气敏传感器。
图2 (c) 厚 膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝 直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热 丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成 本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测 量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
(b) 薄膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，从而提 高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在 200~400℃左右。
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1.气 敏 传 感 器
图2(a)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，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 半导瓷。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，因此应用受到一 定限制。
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
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三、半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器 按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
图1表示了气体接触 N型半导体时所产生的 器件阻值变化情况。空 气中气体含量恒定，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、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等