1、 电子科学学院电子科学学院仪器科学与技术仪器科学与技术气敏传感器气敏传感器 气敏传感器的作用相当于我们的气敏传感器的作用相当于我们的鼻子，可鼻子，可“嗅嗅”出空气中某种特定的出空气中某种特定的气体，并判定气体的浓度，从而气体，并判定气体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监测，实现对气体成分的检测和监测，以改善人们的生活水平，保障人们以改善人们的生活水平，保障人们的生命。的生命。环境污染、火灾报警环境污染、火灾报警煤矿煤矿化工化工气体浓度的表示？气体浓度的表示？对环境大气（空气）中污染物对环境大气（空气）中污染物浓度浓度的表示方法有两种：的表示方法有两种：1、质量质量浓度表示法：每立方米空气中所
2、含污染物的质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，即数，即mg/m32、体积体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即体积数，即ppm 大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度（ppm）。而按中国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度）。而按中国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度以质量浓度的单位（以质量浓度的单位（mg/m3）表示，中国的标准规范也都是采）表示，中国的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。）表示。什么是气敏传感器？什么是气敏传感器
3、？气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多由于气体种类繁多,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，能实现气有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按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际使用最多的是半导体气敏传感器。敏传感器。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒
4、精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器二氧化碳浓度传感器二氧化碳浓度传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量汽车尾气分析汽车尾气分析有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用1 1、气敏传感器的性能要求：、气敏传感器的性能要求：l 对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体具有较高的灵敏度l 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 l 性能稳定，重复性好性能稳
5、定，重复性好 l 动态特性好，对检测信号响应迅速动态特性好，对检测信号响应迅速l 使用寿命长使用寿命长 l 制造成本低，使用与维护方便等制造成本低，使用与维护方便等 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测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。因此，对气敏应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。因此，对气敏元件有下列
6、要求：元件有下列要求：2、常见气敏传感器的分类、常见气敏传感器的分类 3、半导体气敏传感器的机理半导体气敏传感器的机理 半导体式气敏传感器：半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的电电导率导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度成分或者浓度材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体；材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体；其中其中P型：如氧化钴、型：如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。氧化铅、氧化铜、氧化镍等。N型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌
7、、氧化钨等。合成材料有时还渗入了催化剂合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（如钯（Pd）、铂）、铂（Pt）、银（）、银（Ag）等。表表7-1 半导体气敏元件的分类半导体气敏元件的分类 基本原理基本原理 是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。值变化而制成的。半导体气敏材料半导体气敏材料吸附气体的能力很强吸附气体的能力很强。当半导体器件被加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，一部附的分子首先在表面物性
8、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）。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时，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为为氧化型气体或电子接收性气体氧化型气体或电子接收性气体。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
9、器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正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石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、离子吸附倾向的气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。乙烷、煤气、天然气、氢气等。它们被称为它们被称为还原型气还原型气体或电子供给性气体体或电子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电，也就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。当当氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体型半导体（SnO2,ZnO)上，上，还原型气体吸附到还原型气体吸附到P型半导体型半导体(CrO3)上时，将上
10、时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体型半导体上，氧化型气体吸附到吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。导体电阻值下降。图图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100550加热开关大气中2 min 4 min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1 min以内器件电阻/k规则总结规则总结：氧化型气体氧化型气体N型半导体：载流子数下降，型半导体：载流子数下降，电阻增加电阻增加还原型气体还原型气体N型半
11、导体：载流子数增加，型半导体：载流子数增加，电阻减小电阻减小氧化型气体氧化型气体P型半导体：载流子数增加，型半导体：载流子数增加，电阻减小电阻减小还原型气体还原型气体P型半导体：载流子数下降，型半导体：载流子数下降，电阻增加电阻增加 4、半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 图图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；薄膜型器件；(c)厚膜型器件厚膜型器件 330.5(单位:mm)7(c)氧化铝基片Pt电极氧化物半导体器件加热用的加热器(印制厚膜电阻)图
12、图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；薄膜型器件；(c)厚膜型器件厚膜型器件 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而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所所示。示。图图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号直热式气敏器件的结构及符号(a)结构；结构；(b)符号符号1234SnO2烧结体IrPd合金丝(加热器兼电极)13242 41 3(a)(b)旁热式气敏器件的结构及符号如图旁热式气
13、敏器件的结构及符号如图9-4所示所示图图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号旁热式气敏器件的结构及符号(a)旁热式结构；旁热式结构；(b)符号符号 2.非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容二极管的电容电压特性的变化以及电压特性的变化以及MOS场效应晶体管场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性
14、能稳定且价格便宜。且价格便宜。利用特定材料还可利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。以使器件对某些气体特别敏感。(1)MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程二极管气敏元件制作过程是在是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100 nm的二氧化硅的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金的金属薄膜，作为栅电极，如图属薄膜，作为栅电极，如图9-5(a)所示。所示。图图 9-5 MOS二极管结构和等效电路二极管结构和等效电路(a)结构；结构；(b)等效电路；等效电路；
15、(c)C-U特性特性 M(Pd)SiO2PSiCaCsCOVab(a)(b)(c)(2)MOS场效应晶体管气敏器件场效应晶体管气敏器件 钯钯-MOS场效应晶体管场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构，的结构，参见图参见图9-6。图图 9-6 钯钯MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构PSiNNAlSiO2DSPd栅（1）气敏元件灵敏度特性气敏元件灵敏度特性烧结型、薄膜型和厚膜型烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对气敏器件对气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件的阻值的阻值RC与空气中被测气体的浓度与空气中被测气体的浓度C成对成对数关系：数关系：log
16、 RCm logC+n式中式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料与气体检测灵敏度有关，除了随材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。m为气体的分离度，随气体浓度变化而变为气体的分离度，随气体浓度变化而变化，对于可燃性气体，化，对于可燃性气体，。2131 m 在气敏材料在气敏材料SnO2中添加铂中添加铂(Pt)或钯或钯(Pd)等作为催化剂，可以提高其灵等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结
17、温度和工作温度都将影响元件的选样性。温度都将影响元件的选样性。5、气敏元件的基本特性、气敏元件的基本特性 1.SnO2系系（2 2）SnOSnO2 2材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气材料的物理、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，敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnOSnO2 2气敏元件气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。（3 3）SnOSnO2 2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱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。附时间短，可连续长时间使用。（4 4）元件结构简单，成本低，可靠性较
18、高，机械性能良）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。好。（5 5）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测气）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体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。信号处理电路简单。影响影响 SnOSnO2 2气敏效应的主要因素气敏效应的主要因素（1 1）SnOSnO2 2结构组成对气敏效应的影响结构组成对气敏效应的影响 SnOSnO2 2具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnOSnO2 2，一般都是偏离化学计量比的，在一般都是偏离化学计量比的，在SnOSnO2 2中有氧空
19、位或锡间隙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。一般地说原子。这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，SnOSnO2 2中氧空位多，气敏效应明显。中氧空位多，气敏效应明显。（2 2）SnOSnO2 2中添加物对气敏效应的影响中添加物对气敏效应的影响 实验证明，实验证明，S SnOnO2 2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。表表7-37-3列出了具有不同添加物质的列出了具有不同添加物质的SnOSnO2 2气敏元件的气敏效应。气敏元件的气敏效应。（3 3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响 实验证
20、明，实验证明，制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，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对其气敏性能有明显影响。因此，利用元件这一特性可进。因此，利用元件这一特性可进行选择检测。行选择检测。表表7-3 添加物对添加物对SnO2气敏效应的影响气敏效应的影响 添加物质 检测气体 使用温度（）PdO,Pd CO，C3H8 酒精 200300 Pd,Pt过渡金属 CO，C3H8 200300 PdCI2，SbCI3 CH4，C3H8,CO 200300 Sb2O3,TiO2TIO3 250300 V2O5，Cu 250400 稀土类 酒精系可燃性气体 过渡金属 还原性气
21、体 250300 Sb2O3,Bi2O3 还原性气体 500800 高岭土（陶土），Bi2O3 WO LPG，CO，城市煤气，酒精酒精，丙酮碳氢系还原性气体200300（4）SnO2气敏元件易受环境温度和湿度的影响，上图给出气敏元件易受环境温度和湿度的影响，上图给出了了SnO2气敏元件受环境温度、湿度影响的综合特性曲线。气敏元件受环境温度、湿度影响的综合特性曲线。由于环境温度、湿度对其特性有影响，所以便用时，通常由于环境温度、湿度对其特性有影响，所以便用时，通常需要加温度补偿。需要加温度补偿。2ZnO(氧化锌氧化锌)系气敏元件系气敏元件 ZnO系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度
22、比系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度比SnO2系气敏元件约高系气敏元件约高100左右，因此不及左右，因此不及SnO2系元件应用普遍。同样如系元件应用普遍。同样如此，要提高此，要提高ZnO系元件对气体的选择性，也需要添加系元件对气体的选择性，也需要添加Pt和和Pd等添加剂。等添加剂。例如在例如在ZnO中添加中添加Pd，则对，则对H2和和CO呈现出较高的灵敏度；而对丁烷呈现出较高的灵敏度；而对丁烷(C4H10)、丙烷、丙烷(C4H8)、乙烷、乙烷(C4H6)等烷烃类气体则灵敏度很低，如下图等烷烃类气体则灵敏度很低，如下图(a)所示。如果在所示。如果在ZnO中添加中添加Pt，则对烷烃
23、类气体有很高的灵敏度，而且含，则对烷烃类气体有很高的灵敏度，而且含碳量越多、灵敏度越高，而对碳量越多、灵敏度越高，而对H2和和CO气体则灵敏度很低，如下图气体则灵敏度很低，如下图(b)所示。所示。三、气体传感器的应用三、气体传感器的应用 气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对用于对O2O2、CO2CO2等气体的测量。生活中则可用于
24、空调机、烹等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。调装置、酒精浓度探测等方面。(1)(1)、电源电路、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高一般气敏元件的工作电压不高(3V(3V10V)10V)，其工作电压，特别是供给，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导加热的电压，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，影响检测准确敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。性。(2)(2)、辅助电路、辅助电路 由于气敏元件自身的特性由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等温度系数、湿度系数、初
25、期稳定性等)，在，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。漏报现象。(3)(3)、检测工作电路、检测工作电路 这是气敏元件应用电路的主体部分。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，气下图
26、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，足以推动其工作而发出敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。报警信号。220VBZ 氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR案例案例1.燃气报警器燃气报警器各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、
27、娱乐场所等。矿山、家庭、娱乐场所等。家用燃气泄漏报警器家用燃气泄漏报警器 下图是一种最简单的家用气体报警器电路。气下图是一种最简单的家用气体报警器电路。气-电转换器件采电转换器件采用测试回路高电压的直热式气敏元件用测试回路高电压的直热式气敏元件TGS109TGS109。当室内可燃性气体增。当室内可燃性气体增加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。设计报警时，设计报警时，应合理选择应合理选择开始报警浓度，选低了，灵敏度高，开始报警浓度，选低了
28、，灵敏度高，容易产生误报；选高了，又容易造成漏报，起不到报警效果容易产生误报；选高了，又容易造成漏报，起不到报警效果 220VBZ 氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR案例案例2.酒精传感器酒精传感器图为防止酒后开车控制器原理图。图中图为防止酒后开车控制器原理图。图中QMJ1QMJ1为酒敏元件。若司机没喝酒，为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关在驾驶室内合上开关S S，此时气敏器件的阻值很高，此时气敏器件的阻值很高，U Ua a为高电平，为高电平，U U1 1低电平，低电平，U U3 3高电平，继电器高电平，继电器K2K2线圈失电，其常闭触点线圈失电，其常闭触点K2-2K2
29、-2闭合，发光二极管闭合，发光二极管VD1VD1通，通，发绿光，能点火启动发动机。发绿光，能点火启动发动机。防止酒后开车控制器原理图防止酒后开车控制器原理图案例案例3.防止酒后开车控制器防止酒后开车控制器若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，为低电平，U1高电平，高电平，U3低低电平，继电器电平，继电器K2线圈通电，线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红通，发红光，以示警告，同时常闭触点光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器若司机拔出气
30、敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无断开，仍然无法启动发动机。常闭触点法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。为集成定时器。防止酒后开车控制器原理图防止酒后开车控制器原理图案例案例4：矿灯瓦斯报警器：矿灯瓦斯报警器矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路和报警信号电路构成。如传感器故障的情况下，矿灯每十秒钟闪一次。当矿灯和报警信号电路构成。如传感器故障的情况下，矿灯每十秒钟闪一次。当矿灯在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时，矿灯每秒闪一次。在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时，矿灯每秒闪一次。Thank you！
