KC04050203-m06-半导体式气敏传感器的工作原理学习辅导.

半导体式气敏传感器的工作原理

1. 气敏传感器的概述

气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

2. 气敏传感器的工作原理

声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。

3. 半导体式气敏传感器的工作原理

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。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。

（1）半导体气敏元件的特性参数

①气敏元件的电阻值

②气敏元件的灵敏度

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。

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

（b）气体分离度

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

（c）输出电压比灵敏度KV

Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；

Vgi: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

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

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

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。

气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工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。

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的63%时所需时间。

SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。

其敏感体用粒径很小(平均粒径≤1μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。

④气敏元件的响应时间

⑤气敏元件的加热电阻和加热功率

⑥气敏元件的恢复时间

⑵烧结型SnO2气敏元件

①直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)

由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。

②旁热式SnO2气敏元件

旁热式气敏器件结构及符号

4. 气敏传感器分类

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计

算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外,还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。

1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。半导体传感器以其易于实现集成化，微型化、灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。它与各种结构型传感器相比，具有如下特点：

由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化；

灵敏度高，动态性能好，输出为电量；

采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化，智能化；

功耗低，安全可靠。同时，半导体传感器也存在以下一些缺点：

线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路；

与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施；

性能参数离散性大。

虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。

从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器，如，霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。有些内容与其他传感器互相交叉，已在其它章中介绍。本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体式传感器。

5. 气敏传感器的作用

气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现

气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。

半导体气敏传感器是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的。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，可分为表面控制型和体控制型，前者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，后者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。按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件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厂半导体式气敏元件则是根据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生改变无对气体进行直接或间接的检测，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。

6. 结束语

随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得气敏传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、家庭、油库、油场、煤矿、工厂、和环境监测有着不可替代带的作用,气敏传感器有着广泛的应用前景。