湿敏传感器
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(c) 厚(膜c)型器件
加热方式：一般有直热式和旁热式两种→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所示。直热式器件是将加热丝、 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。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以
电子接收性气体。
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。
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→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。
器 件 电 阻 / k
100
稳定状 器件加热 态
50
5 加热开关
2 min 4 min 大气中
响 应 时 间 约 1 min 以 内 氧化型
还原型 吸气时
图 9-1 N型半导体吸附气体时器件 阻值变化图
9.1.3 1. 电阻型半导体气敏传感器
组成：敏感元件、加热器、外壳。 分类：烧结型、薄膜型、厚膜型器件。
表面控制型----半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的 电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；
体控制型----半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。 电阻型和非电阻型—按照半导体变化的物理特性，又可分为～。
电阻型是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；
非电阻型是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来
检测被测气体的。
表9-1 半导体气敏元件的分类
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
9.1 气 敏 传 感 器
9.1.1 概述 用途：用来检测气体类别、浓度和成分。 分类：按构成气敏传感器的材料分为两大类：半导体和非半导体气敏传感器。
使用最多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感器 工作原理：利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测 气体。
分类：
表面控制型和体控制型—按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面 或深入到半导体内部，可分为～。
图9-1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。由于空 气中的含氧量大体上是恒定的， 因 此氧的吸附量也是恒定的，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。半导体气敏时间(响应时间) 一般不超过1min。N型材料有SnO2、 ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、 CrO3等。
这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面 上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，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。
0.5 33
(单 位 : mm )
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 )
电 极 (铂 丝 ) 氧 化 物 半 导 体
半 导 体 0.5 mm
3 mm
加热器
玻 璃 (尺 寸 约 1 mm ， 也 有 全 为 半 导 体的 )
((aa))
加热器 电极 3 mm
(b)
图9-2(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基 片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方 法也很简单。 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，因此器件间性能差异较大。
9.1将.31铂. 电图电阻9极-型2和(半a加)为导热体烧丝气结埋敏型入传气感S敏n器O器2材件料。中这，类用器加件热以、Sn加O压2半、导温体度材为料7为00基~9体00，℃ 的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷， 简称半导瓷。半导 瓷内的晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体 检测灵敏度则无很大的影响。 特点：制作方法简单，器件寿命长； 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。
对气敏元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快， 共 存物质产生的影响小等。
半导体气敏传感器的应用：主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工 等部门的易燃、 易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。
9.1.2 半导体气敏传感器的机理 制作机理：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
图9-2 (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 )
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 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
变化而制成的。
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(气体的吸附和渗透特
性)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。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
氧 化 物半 导 体
半 导 体 0.5 mm 电 极
3 mm
0.ห้องสมุดไป่ตู้ mm
m ， 也 有 全为 的)
加热器 电极 3 mm
绝 缘 基片
(b) 薄膜型器件；
图9-2(c)为厚膜型器件。这种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，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘 基片上，经烧结制成的。由于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。
加热方式：一般有直热式和旁热式两种→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所示。直热式器件是将加热丝、 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。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以
电子接收性气体。
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。
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→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。
器 件 电 阻 / k
100
稳定状 器件加热 态
50
5 加热开关
2 min 4 min 大气中
响 应 时 间 约 1 min 以 内 氧化型
还原型 吸气时
图 9-1 N型半导体吸附气体时器件 阻值变化图
9.1.3 1. 电阻型半导体气敏传感器
组成：敏感元件、加热器、外壳。 分类：烧结型、薄膜型、厚膜型器件。
表面控制型----半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的 电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；
体控制型----半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。 电阻型和非电阻型—按照半导体变化的物理特性，又可分为～。
电阻型是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；
非电阻型是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来
检测被测气体的。
表9-1 半导体气敏元件的分类
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
9.1 气 敏 传 感 器
9.1.1 概述 用途：用来检测气体类别、浓度和成分。 分类：按构成气敏传感器的材料分为两大类：半导体和非半导体气敏传感器。
使用最多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感器 工作原理：利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测 气体。
分类：
表面控制型和体控制型—按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面 或深入到半导体内部，可分为～。
图9-1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。由于空 气中的含氧量大体上是恒定的， 因 此氧的吸附量也是恒定的，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。半导体气敏时间(响应时间) 一般不超过1min。N型材料有SnO2、 ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、 CrO3等。
这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面 上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，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。
0.5 33
(单 位 : mm )
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 )
电 极 (铂 丝 ) 氧 化 物 半 导 体
半 导 体 0.5 mm
3 mm
加热器
玻 璃 (尺 寸 约 1 mm ， 也 有 全 为 半 导 体的 )
((aa))
加热器 电极 3 mm
(b)
图9-2(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基 片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方 法也很简单。 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，因此器件间性能差异较大。
9.1将.31铂. 电图电阻9极-型2和(半a加)为导热体烧丝气结埋敏型入传气感S敏n器O器2材件料。中这，类用器加件热以、Sn加O压2半、导温体度材为料7为00基~9体00，℃ 的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷， 简称半导瓷。半导 瓷内的晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体 检测灵敏度则无很大的影响。 特点：制作方法简单，器件寿命长； 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。
对气敏元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快， 共 存物质产生的影响小等。
半导体气敏传感器的应用：主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工 等部门的易燃、 易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。
9.1.2 半导体气敏传感器的机理 制作机理：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
图9-2 (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 )
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 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
变化而制成的。
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(气体的吸附和渗透特
性)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。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
氧 化 物半 导 体
半 导 体 0.5 mm 电 极
3 mm
0.ห้องสมุดไป่ตู้ mm
m ， 也 有 全为 的)
加热器 电极 3 mm
绝 缘 基片
(b) 薄膜型器件；
图9-2(c)为厚膜型器件。这种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，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘 基片上，经烧结制成的。由于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。