气体传感器常识

气体传感器常识

1、传感器的定义

根据中华人民共和国国家标准(GB7665-87)，传感器的定义是：能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分。

2、化学传感器

传感器按工作原理分大体上可以分为化学型、物理型及生物型三大类。

化学传感器是将规定的化学量按一定规律转换为可检测信号的传感器。化学传感器集电子科学、化学科学和材料科学于一体。

化学传感器一般包括两部分，一部分具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能，称为识别系统；另一部分可将俘获的化学量有效转换为电信号的功能，称为传导系统。

3、气体传感器的分类和工作原理

3.1气体传感器的分类

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。

3.2半导体气敏元件的结构

（1）结构

半导体气敏传感器主要有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。

烧结体器件是将电极和器件加热用的加热器埋入金属氧化物中，用电加热或加压成型后低温烧结制成的。虽然制作方法简单，但是，由于烧结不充分，器件的机械强度较低，又由于使用了贵金属丝，制造成本比其它制作方法高；此外，该种元件电特性的误差也较大。薄膜型器件是采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成氧化物半导体薄膜的。这种方法也很简单，其缺点是薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异较大。厚膜型器件采用丝网印刷法制成。工艺性和器件强度都很好，其特性也相当一致。

厚膜型敏感元件的加热方式有直热式和旁热式两种。

（2）加热方式

加热器的作用是将附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200℃～400℃。

直热式是将加热丝直接埋入气敏材料粉末中烧结而成。优点是制造工艺简

单、成本低、功耗小，可以在高电压回路中使用。它的缺点是热容量小，易受环境气流影响，测量回路和加热回路间没有隔离会相互影响。

旁热式是在管芯内增加一个陶瓷管，在管内放进一个高阻加热丝，陶瓷管表面的两端有用两个电极，在陶瓷管外涂气敏材料。其结构见下图。

图2 旁热式气敏元件

这种结构克服了直热式的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响；器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、可靠性比直热式的好。

3.3 半导体金属氧化物气体传感器的工作原理

半导体金属氧化物的气敏机理存在着多种模型，如冯祖勇将其分为表面电阻控制模型、体电阻控制模型、吸附气体产生新能级模型、隧道效应模型、控制栅极模型和接触燃烧模型。如表面控制模型认为气敏过程受表面缺陷数量控制。以P 型SnO 2气敏材料为例，发生在表面的化学变化涉及两种主要的反应，空气中的氧在表面夺取电子变成化学吸附氧，即：

--

2ads O +2e 2O −−→

吸附态的氧离子使电导率下降。SnO 2表面与还原性气体接触以后，表面活性中心-

ads O 与还原性气体作用，释放出电子，二氧化锡材料导带中电子密度增大，电阻减小，通过电信号强度的变化情况实现对气体的检测。

半导体气敏元件有N 型和P 型之分。N 型气敏元件在检测到甲烷、一氧化碳、天燃气、煤气、液化石油气、乙炔、氢气等气体时，其电阻值减小；P 型气

敏元件在检测到可燃气体时电阻值将增大，而在检测到氧气、氯气及二氧化碳等气体时，其电阻值将减小。

4、气敏元件的评价参数

(1)灵敏度

气体传感器的灵敏度是指器件对被测气体的敏感程度。通常用气体传感器在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻与之比来表示灵敏度。常用S 表示(或用β表示)，N 型半导体气敏元件检测甲烷、一氧化碳、天燃气、煤气、液化石油气、乙炔、氢气等还原性气体时，灵敏度可表示为：

R a 、R g 分别表示气敏元件在空气和检测气氛中的电阻。对于P 型半导体气敏元件，检测甲烷、一氧化碳、天燃气、煤气、液化石油气、乙炔、氢气等还原性气体时，灵敏度可表示为：

P 型半导体气敏元件检测氧气、氯气及二氧化碳等氧化性气体时，灵敏度可表示为：

S 越大，表明气体传感器的灵敏度越高；S 越小，表明灵敏度越低。

（2）选择性

在多种气体共存的条件下，气体传感器具有的区分气体种类的能力。以待测气体

的灵敏度与干扰气体的灵敏度之比D 表示分辨率。分辨率的表达可用下式表示。

式中S g1表示传感器对待测气体的灵敏度; S g2表示传感器对干扰气体的灵敏度。当相同浓度的几种气体共存时，传感器对某种气体具有较高的灵敏度，而对其余几种气体的灵敏度比较低，即D 值较大，就说明这种传感器对灵敏度高的气体具有较好的选择性。

（3）响应时间t res

响应时间代表气敏元件对被检测气体的响应速度。从原则上讲，响应越快越好，即气敏元件接触被测气体或气体浓度一有变化，器件阻值马上随之变化到其g a

R S R ＝g a R S R ＝a g R S R ＝

确定阻值。但实际上总要有一段时间才能达到稳定值。定义响应时间t res为元件接触被测气体后，电阻达到该浓度下稳定阻值90%时所需的时间，定义为响应时间，常用t res表示。

（4）恢复时间t rec

与响应时间不同，恢复时间表示气敏元件对被检测气体的脱附速度，又称脱附时间。同样，也希望这一时间越快越好。定义恢复时间t rec为元件脱离检测气体开始，到其阻值恢复到正常空气中阻值10%所需的时间，定义为恢复时间，用t rec表示。

（5）长期稳定性

当气体浓度不变时，若其他条件发生变化，在规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力。它表示气敏元件对于气体浓度以外因素的抵抗能力。

以QM-N5气敏元件为例，其主要参数为：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.5～5.5V、测量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。

5、半导体气敏传感器的发展方向

气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多学科交叉的研究领域。要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。

2.1 气敏材料的进一步开发

2.2 新型气体传感器的开发和设计

2.3 气体传感器传感机理的研究

2.4 气体传感器的智能化

2.5 提高半导体气敏元件选择性

目前，为了提高气体敏感材料的选择性，国内外的研究人员在以下几个方面做了大量的工作。

（1）在半导体气敏材料中加入催化剂和添加剂

（2）控制气敏传感器的工作温度

（3）气体过滤膜

（4）采用特殊的表面处理来改善选择性

（5）利用材料微细结构的控制提高选择性

（6）选择新方法和新技术提高选择性