传感技术第九章 气、湿敏传感器

2、薄膜型
薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片(玻璃 石英式陶瓷)；焊接电极，之后采用蒸发或溅 射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体 薄膜。实验测得SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较 好。
薄膜型器件外形结构如图9-2所示。这种器件 具有较高的机械强度，产量高、成本低等优点。
3、厚膜型
为解决器件一致性问题，1977年发展了厚膜型 器件。它是有SnO2和ZnO等材料与3～15％(重量) 的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶 用丝网印制到事先安装有铂电极的Al2O3基片上， 以400～800℃烧结1小时制成。其结构如图9-2 所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械 强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。
氧化型气体吸附到N型半导体上，将使载流子 减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸 附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率 下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情况 得知吸附气体的种类和浓度。
氧化型气体吸附到P型半导体上，将使载流子 增多，从而使材料的电阻率下降。还原型气体吸 附到P型半导体上，将使载流子减少，材料电阻率 增大。也可根据这一特性，从阻值变化的情况得 知吸附气体的种类和浓度。
硫醇
氢气、一氧 化碳、酒精
铂栅MOS场效 150℃ 应晶体管
氢气、硫化 氢
一、气敏半导体材料的导电机理
以半导瓷材料SnO2为例说明气敏半导体 材料的导电机理。SnO2是N型半导体，其导 电机理可以用吸附效应来解释。
半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和 种类而改变。这类半导瓷气敏电阻工作时都需加 热。器件在加热到稳定状态的情况下，当有气体 吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散。其间 一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附处。 此时如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和 力，则吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子 吸附；如果材料功函数大于吸附分子的离解能， 吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。O2 和NOx（氮类氧化物）倾向于负离子吸附，称为氧 化型气体。H2、CO、碳氢化合物和酒类倾向于正离 子吸附，称为还原型气体。
（2）气敏元件的灵敏度 是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。
（3）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响
应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接 触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度 下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏 元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用 符号tr表示。
内热式（直热式）器件管芯体积一般都很小，加热丝直 接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板，该 结构制造工艺简单。其缺点是：①热容量小，易受环境 气流的影响；②测量电路和加热电路之间相互影响；③ 加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与 材料接触不良的现象。
加ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极
SnO2烧结体 3
41
半导体气敏传感器的分类
主要物理特性
传感器举例
工作温度 典型被测气体
电
电
阻
阻
式
表面控制型 体控制型
氧化银、氧化锌 室温~450℃
氧化钛、氧化 700℃以上 钴、氧化镁、 氧化锡
可燃性气体
酒精、氧气、 可燃性气体
非
表面电位
电 阻
二极管整流特性
式
晶体管特性
氧化银
铂/硫化镉、 铂/氧化钛
室温 室温~200℃
3
1
2
4
2
(a)结构
(b)符号
内热式气敏器件结构及符号
加热器
电极 1
6 4
2
3
瓷绝缘管SnO2烧结体
5
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加 热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂 气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器 件的缺点，使器件稳定性有明显提高。
以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时， 加热器能使附着在控测部分上的油雾，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，一般加热到200--400℃，具体 温度视所掺杂质不同而异。
这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜， 使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在 低浓度(3000mg/kg)下，灵敏度也很高。其缺点 在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强， 各器件之间的特性差异大等。
第九章 气、湿敏传感器
第一节 半导体气敏传感器 第二节 湿敏传感器 第三节 气、湿敏传感器应用举例
第一节 半导体气敏传感器
半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体 接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气 体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。
早在20世纪30年代就已经发现氧化亚铜的导电率 随水蒸气的吸附而发生改变。其后又发现许多其 它金属氧化物也都具有气敏效应。这些金属氧化 物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材 料，因此称之谓半导体陶瓷，简称半导瓷。由于 半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低 廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价 值的敏感元件。
电阻/kΩ 100
氧化型
加热 稳定状态 50
还原型
0 N型半导体吸附气体时阻值变化图
二、电阻型气敏传感器的结构
电阻型气敏器件在目前使用的比较广泛。按其 结构，可分为烧结型，薄膜型和厚膜型三种，烧结 型应用最广泛性。
1、烧结型
烧结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材 料(SnO2、InO)及掺杂剂(Pt、Pb)等以水或粘合剂 调和，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混 合的膏状物滴入模具内，用传统的制陶方法进行 烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，最后将加 热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳构成器 件。这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构 。
三、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。