气敏材料

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材
料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性 (例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价 控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。
金属氧化物在常温下是绝缘的 , 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中 , 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体 , 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。
（2） 薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法 , 在石英 或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1 μm以下）, 构成 薄膜型气敏元件。
氧化锌（ ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为 绝缘基片, 通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属, 用铂或钯膜作 引出电极, 最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半 导体, 当添加铂作催化剂时, 对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体 有较高的灵敏度, 而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作 催化剂时, 对H2 、CO有较高的灵敏度, 而对烷烃类气体灵敏 度低。因此,这种元件有良好的选择性, 工作温度在400~500℃ 的较高温度。
~U R6 氖管
蜂鸣器
BZ
R1 R3
气敏传感器
R2 R4
R5
当环境温度降低时，
SCR 则负温度热敏电阻(R5) 的阻值增大，使相应
W 的输出电压得到补偿。
NTC电阻
右图为正温度系数热敏电
阻(R2)的延时电路。刚通电 时，其电阻值也小，电流
PTC电阻
大部分经热敏电阻回到变 压器，蜂鸣器 (BZ)不发出 氖管
BG1
48
K ~220V
C6
B1 D1 D2
R1
R2 R3
BG2
A
C2
D4
C1
D3
J1 D5 C5
R10 R11
MT1
R4 Dw
R5
3CTS3 B2
D7
MT2 C7
W1
R6 7
IC2 3
RQ
R7
B5
7
62 C3
1 C4
W2 IC1 2
8 13
R9 R13
J BG3
R12
煤气安全报警器原理图
R8 LED
（4）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。
（5）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在 200℃以上高温。为气敏元件提供必要工
（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。表示方法有三种
（a）电阻比灵敏度K
K ? Ra Rg
Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值
（b）气体分离度
μA BG1
W31 BG2
R4 K2
R1
W41
R5 6V
差分式可燃性气体检测仪电路
下图是家用煤气(CO)安全报警电路。 一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警报；另一 部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子，使煤 气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧 (O3)反应，生成 对人体无害的二氧化碳。
表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制 能力。气敏元件分辨率S表示为
S ? ? Vg ? Vg ? Va ? Vgi Vgi ? Va
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压 Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压
2、辅助电路
由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定 性等)，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补 偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路， 防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热 器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下图是一温度 补偿电路
足以推动其工作而发出报警信号。
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
下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。 在此电路中， BG1、BG2的参数应力求一致，最好选用差分 对管。采用这种差分电路，检测气体的灵敏度可达100 ×10－6。
W11
K1
3V
RQ R2
R3 W21
氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如 图9 - 1（b）所示。
由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度 比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图9 - 2所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对 电极。
气敏元件的基本测量电路, 如图9 - 1（a）所示, 图 中EH为加热电源, EC为测量电源, 电阻中气敏电阻值
的变化引起电路中电流的变化 , 输出电压（信号电压） 由电阻Ro上取出。 特别在低浓度下灵敏度高, 而高浓 度下趋于稳定值。 因此, 常用来检查可燃性气体泄漏 并报警等。
二、半导体气敏元件的特性参 （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Ｒ ａ。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。
以上三种气敏器件都附有加热器, 在实际应用时, 加热器能 使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉 , 同时加速气体氧化 还原反应, 从而提高器件的灵敏度和响应速度。
四、气体传感器的应用 分为检测、报警、监控等几种类型。 1、电源电路
一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V)，其工作电压，特 别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变 化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。
三、 气敏传感器的分类 气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分
烧结型、薄膜型、厚膜型。 （1） 烧结型气敏元件将元件的电极和加热
器均埋在金属氧化物气敏材料中, 经加热成型后 低温烧结而成。 目前最常用的是氧化锡（SnO2） 烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在 200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气 体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都 有较高的灵敏度。
气敏传感器
气敏传感器
用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天 然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气 体的监测、预报和自动控制 , 气敏元件是以化学物质的成分 为检测参数的化学敏感元件。
一、 气敏电阻的工作原理
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、氧化镍等。为了提高某种气敏元件 对某些气体成分的选择性和灵敏度 , 合成材料有时还渗入了 催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
（3） 厚膜型气敏元件将气敏材料（如 SnO2、ZnO）与一 定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印 刷 到 事 先 安 装 有 铂 电 极 的 氧 化 铝 （ Al2O3 ） 基 片 上 , 在 400~800℃的温度下烧结 1~2小时便制成厚膜型气敏元件。用 厚膜工艺制成的器件一致性较好 , 机械强度高, 适于批量生产。
该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）, 目的 是为了加速上述的氧化还原反应。
例如, 用氧化锡制成的气敏元件 , 在常温下吸附某种气 体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加 , 尤其在100~300℃ 范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于 多数载流子浓度增加的结果。
的63％时所需时间。
（7）初期稳定时间
长期在非工作状态下存放的气敏元件 ,因表面吸附空 气中的水分或者其他气体 ,导致其表面状态的变化，在加 上电负荷后,随着元件温度的升高 ,发生解吸现象。因此 , 使气敏元件恢复正常工作状态 ,需要一定的时间 ,称为气 敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件 ,在刚通电 的瞬间,其电阻值将下降 ,然后再上升 ,最后达到稳定。由 开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间 ,称为初期 稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状 态的函数。存放时间越长 ,其初期稳定时间也越长。在一 般条件下,气敏元件存放两周以后 ,其初期稳定时间即可 达最大值。
B
R2
R3
报警。当通电 1～2min后，
BCR
阻值急剧增大，通过蜂鸣 ~U
气敏传感器
器的电流增大，电路进入
R1
BZ
正常的工作状态。
蜂鸣器
R4
3、检测工作电路 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，
作温度的加热电路的电阻 (指加热器的电阻值 )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
? ? RC1 RC 2
RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：
RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。
பைடு நூலகம்
（c）输出电压比灵敏度KV
KV
?
Va Vg
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
（3）气敏元件的分辨率