气敏传感器 ppt课件

半 导 体 0.5 mm 3 mm
电极 0.6 mm
绝 缘 基片
加热器
玻 璃 (尺 寸 约1 mm ， 也 有 全为 半 导 体的 )
加热器 电极 3 mm
(a)
(b)
图9-2 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
0.5 33
(单 位 : mm )
• 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石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、 乙烷、煤气、天然气、氢气等。 它们被称为还原型气 体或电子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电 子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上， 还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将 使半导体载流子减少，而使电阻值增大。
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
还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
4 、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
电 极 (铂 丝 ) 氧 化 物半 导 体
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。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
气敏电阻外形
材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体； 其中P型：如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。 N型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。 合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂
（Pt）、银（Ag）等。
表7-1 半导体气敏元件的分类
• 基本原理
– 是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻 值变化而制成的。
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。
(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50~100
气敏传感器
电子科学学院 仪器科学与技术
气敏传感器的作用相当于我们的 鼻子，可“嗅”出空气中某种特定的 气体，并判定气体的浓度，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。
化工 煤矿
环境污染、火灾报警
一、与气敏相关的基本概念
气体浓度的表示？
对环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种： 1、质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
家庭用液化气 报警器
一氧化碳传感器
其他气体传感器
甲烷传感器
NH3传感器
二氧化碳浓度传感器
氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
汽车尾气分析
有毒气体传感器的使用
二、认识气敏传感器
1、气敏传感器的性能要求：
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。因此，对气敏 元件有下列要求：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
示。
Sn O2烧 结 体
3 4
13
13
1 Ir—P d合 金 丝
2
(加 热 器 兼 电 极 )
24
24
(a) (b)
图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示
引线 引线 电极
加热丝
电极
绝 缘 瓷 管 Sn O2烧 结 体
(a)
加热丝
对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等
2、常见气敏传感器的分类
3、半导体气敏传感器的机理
半导体式气敏传感器： 利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的电 导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的 成分或者浓度
氧 化 物半 导 体 Pt电 极 氧 化 铝基 片
7
器 件 加热 用 的 加 热 器(印 制 厚 膜 电阻 )
(c)
图9-2 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
由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热
式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图9-3所
数，即mg/m3 2、体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的
体积数，即ppm
大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度 （ppm）。而按中国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度 以质量浓度的单位（mg/m3）表示，中国的标准规范也都是采 用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。
什么是气敏传感器？
– 半导体气敏材料吸附气体的能力很强。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）。
• 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 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。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。
测量 电极
(b)
图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号
加热丝
2. 非电阻型半导体气敏传感器
非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用
MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管
(MOSFET)
。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
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。
器 件 电 阻 / k
10 0
稳 定状 器件加热 态
50
响 应 时 间 约 1 min 以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 mi n 4 min 大 气中
吸 气时
图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图