气体传感器-讲解概要

13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 材（料粒度在1μm以下），添加不同物质， 采用传统制陶方法，进行烧结。
烧结时埋入测量电极和加热线，制成管芯， 最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加 二层不锈钢网而制成元件。
主要用于检测还原性气体、可燃性气体和 液体蒸气。工作时需加热到300℃左右.
1.优点： 制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使
用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 国内QN型和MQ型气敏元件. 2.缺点:
热容量小，易受环境气流的影响； 测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接
触不良。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件
这种元件的结构示意图如图10-19所示。 其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂
梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件特点
这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与 加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避 免了回路间的互相影响；元件热容易大，降 低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保 持了材料结构的稳定性。
稀土类 过渡金属
酒精系可燃性气体 还原性气体
250～300
Sb2O3,Bi2O3
高岭土（陶土）， Bi2O3 WO
还原性气体 碳氢系还原性气体
500～800 200～300
13.1.6 SnO2气敏元件的结构
SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广 泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。
13.1.6 表10-2 添加物对SnO2气敏效应的影响
添加物质
检测气体
使用温度（℃）
PdO,Pd Pd,Pt过渡金属
PdCI2SbCI3 Sb2O3,TiO2TIO3
V2O5，Cu
CO，C3H8 酒精 CO，C3H8
CH4，C3H8, CO
LPG，CO，城市煤气，酒精
酒精，丙酮
200～300 200～300 200～300 250～300 250～400
13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点
（1）气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关 系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。
（2）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型 气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnO2气敏元 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。
（3）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、 脱附时间短，可连续长时间使用。
（2）SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明，SnO2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。
表10-2列出了具有不同添加物质的SnO2气敏元件的气敏效应。 （3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响
实验证明，制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对 其气敏性能有明显影响。因此，利用元件这一特性可进行选择 检测。
目 前 国 产 QM-N5 型 气 敏 元 件 ， 日 本 弗 加 罗 TGS#812、813型气敏元件采用这种结构。
13.1.10
SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质 SnO2烧结体。在晶体中如果氧不足，将 出现两种情况：一是产生氧空位，另一 种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况， 在禁带靠近导带的地方形成施主能级。 这些施主能级上的电子，很容易激发到 导带而参与导电。
按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 种。
13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件
直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18 所示。
组成: 元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝， 它们都埋在SnO2基材内。 工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。
13.1.8（1）直热式SnO2气敏元件特点
（4）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能 良好。
（5）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。
13.1.3 SnO2的基本性质
1.SnO2 物理性质: SnO2是一种白色粉末，密度
为 6.16-7.02g/cm3 ， 熔 点 为 1127℃，在更主温度下才能分 解，沸点高于1900℃的金属源自文库 化物。SnO2不溶于水，能溶于 热强酸和碱。
况如图10-17所示。
13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素
1）SnO2结构组成对气敏效应的影响 SnO2具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnO2，一般都 是偏离化学计量比的，在SnO2中有氧空位或锡间隙原子。这种 结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，SnO2中氧空位多， 气敏效应明显。
件。它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增 加而下降，实现对可燃性气体检测。 继而又发现在SnO2烧结体中添加Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。 1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场。 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主.
2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构，具有正方晶
系对称，其晶胞为体心正交平 行六面体，体心和顶角由锡离 子占据。其晶胞结构如图1016 所 示 ， 晶 格 常 数 为 a=0.475nm，c=0.319nm。
13.1.4 SnO2的气敏效应
1.经实验发现，多晶SnO2 对多种气体具有气敏特性。 2.多孔型SnO2半导体材料， 其电导率随接触的气体种 类而变化。 一般吸附还原 性气体时电导率升高。而 吸附氧化性气体时其电导 率降低。 这种阻值变化情
气体传感器-讲解概要
13.1 概述
13.1.1
1.产生原因: 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前
实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法
。 具有使用方便、费用低等特点
2.发展过程: 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元