氣敏傳感器公開(kāi)課

氣敏傳感器公開(kāi)課第1頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五提問(wèn)：同學(xué)們都會(huì)知道哪些是有毒有害的氣體呢？煤氣、CO、甲烷、煙霧是的，這些氣體當(dāng)達(dá)到一定濃度的時(shí)候都會(huì)危機(jī)到我們的生命。2、那我們要如何預(yù)防有害氣體對(duì)我們的生命安全造成的傷害呢？裝個(gè)對(duì)這些有害氣體敏感的報(bào)警器。這章要介紹的氣敏傳感器就是這種報(bào)警器電路里一個(gè)很重要的器件。接下來(lái)我們就開(kāi)始介紹氣敏傳感器。第2頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

氣敏傳感器的作用相當(dāng)于我們的鼻子，可“嗅”出空氣中某種特定的氣體，并判定氣體的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體成分的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，以改善人們的生活水平，保障人們的生命。第3頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五環(huán)境污染、火災(zāi)報(bào)警煤礦化工第4頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、與氣敏相關(guān)的基本概念

氣體濃度的表示？

對(duì)環(huán)境大氣（空氣）中污染物濃度的表示方法有兩種：1、質(zhì)量濃度表示法：每立方米空氣中所含污染物的質(zhì)量數(shù)，即mg/m32、體積濃度表示法：一百萬(wàn)體積的空氣中所含污染物的體積數(shù)，即ppm

大部分氣體檢測(cè)儀器測(cè)得的氣體濃度都是體積濃度（ppm）。而按中國(guó)規(guī)定，特別是環(huán)保部門，則要求氣體濃度以質(zhì)量濃度的單位（mg/m3）表示，中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也都是采用質(zhì)量濃度單位（如：mg/m3）表示。第5頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五什么是氣敏傳感器？氣敏傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測(cè)所有類別的氣體，因此，能實(shí)現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多，按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。

煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器第6頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器第7頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五酒精測(cè)試儀呼氣管第8頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五家庭用液化氣報(bào)警器第9頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一氧化碳傳感器第10頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五其他氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器第11頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二氧化碳濃度傳感器

氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測(cè)量第12頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五汽車尾氣分析第13頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五有毒氣體傳感器的使用第14頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1、氣敏傳感器的性能要求：

對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度對(duì)被測(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感性能穩(wěn)定，重復(fù)性好動(dòng)態(tài)特性好，對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)迅速使用壽命長(zhǎng)制造成本低，使用與維護(hù)方便等氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會(huì)使其性能變差。因此，對(duì)氣敏元件有下列要求：二、認(rèn)識(shí)氣敏傳感器第15頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2、常見(jiàn)氣敏傳感器的分類

第16頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3、半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理

半導(dǎo)體式氣敏傳感器：利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化的原理來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者濃度材料：氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導(dǎo)體；其中P型：如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。N型：如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等。合成材料有時(shí)還滲入了催化劑,如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。第17頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五表7-1半導(dǎo)體氣敏元件的分類第18頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五基本原理是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。半導(dǎo)體氣敏材料吸附氣體的能力很強(qiáng)。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。第19頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體，也就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體；多數(shù)屬于可燃性氣體。第20頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2,ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體(CrO3)上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。第21頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖9-1N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖

第22頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五規(guī)則總結(jié)：氧化型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加

第23頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4、半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)1.電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

圖9-2氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

第24頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖9-2氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

第25頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

由于加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖9-3所示。圖9-3直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號(hào)第26頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖9-4所示圖9-4旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)(a)旁熱式結(jié)構(gòu)；(b)符號(hào)第27頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使器件對(duì)某些氣體特別敏感。

第28頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(1)MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過(guò)程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖9-5(a)所示。圖9-5MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)C-U特性

第29頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(2)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件鈀-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET)的結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖9-6。圖9-6鈀—MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)第30頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（1）氣敏元件靈敏度特性燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型SnO2氣敏器件對(duì)氣體的靈敏度特性如右圖所示。氣敏元件的阻值RC與空氣中被測(cè)氣體的濃度C成對(duì)數(shù)關(guān)系：logRC＝mlogC+n式中n與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類不同而變化外，還會(huì)由于測(cè)量溫度和添加劑的不同而發(fā)生大幅度變化。m為氣體的分離度，隨氣體濃度變化而變化，對(duì)于可燃性氣體，。

在氣敏材料SnO2中添加鉑(Pt)或鈀(Pd)等作為催化劑，可以提高其靈敏度和對(duì)氣體的選擇性。添加劑的成分和含量、元件的燒結(jié)溫度和工作溫度都將影響元件的選樣性。5、氣敏元件的基本特性

1.SnO2系第31頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其它類型氣敏元件（如接觸燃燒式氣敏元件）相比，SnO2氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。

（3）SnO2氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫附時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。

（4）元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性較高，機(jī)械性能良好。

（5）對(duì)氣體檢測(cè)不需要復(fù)雜的處理設(shè)備?？蓪⒋龣z測(cè)氣體濃度可通直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單。

第32頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五影響

SnO2氣敏效應(yīng)的主要因素（1）SnO2結(jié)構(gòu)組成對(duì)氣敏效應(yīng)的影響SnO2具有金紅石型晶體結(jié)構(gòu)，用于制作氣敏元件的SnO2，一般都是偏離化學(xué)計(jì)量比的，在SnO2中有氧空位或錫間隙原子。這種結(jié)構(gòu)缺陷直接影響氣敏器件特征。一般地說(shuō)，SnO2中氧空位多，氣敏效應(yīng)明顯。（2）SnO2中添加物對(duì)氣敏效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)證明，SnO2中的添加物質(zhì)，對(duì)其氣敏效應(yīng)有明顯影響。表7-3列出了具有不同添加物質(zhì)的SnO2氣敏元件的氣敏效應(yīng)。

（3）燒結(jié)溫度和加熱溫度對(duì)氣敏效應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)證明，制作元件的燒結(jié)溫度和元件工作時(shí)的加熱溫度，對(duì)其氣敏性能有明顯影響。因此，利用元件這一特性可進(jìn)行選擇檢測(cè)。

第33頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五表7-3添加物對(duì)SnO2氣敏效應(yīng)的影響

添加物質(zhì)

檢測(cè)氣體

使用溫度（℃）

PdO,Pd

CO，C3H8酒精

200～300

Pd,Pt過(guò)渡金屬

CO，C3H8

200～300

PdCI2，SbCI3

CH4，C3H8,CO

200～300

Sb2O3,TiO2TIO3

250～300

V2O5，Cu

250～400

稀土類

酒精系可燃性氣體

過(guò)渡金屬

還原性氣體

250～300

Sb2O3,Bi2O3

還原性氣體

500～800

高嶺土（陶土），Bi2O3WO

LPG，CO，城市煤氣，酒精酒精，丙酮碳?xì)湎颠€原性氣體200～300第34頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（4）SnO2氣敏元件易受環(huán)境溫度和濕度的影響，上圖給出了SnO2氣敏元件受環(huán)境溫度、濕度影響的綜合特性曲線。由于環(huán)境溫度、濕度對(duì)其特性有影響，所以便用時(shí)，通常需要加溫度補(bǔ)償。第35頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

2．ZnO(氧化鋅)系氣敏元件ZnO系氣敏元件對(duì)還原性氣體有較高的靈敏度。它的工作溫度比SnO2系氣敏元件約高100℃左右，因此不及SnO2系元件應(yīng)用普遍。同樣如此，要提高ZnO系元件對(duì)氣體的選擇性，也需要添加Pt和Pd等添加劑。例如．在ZnO中添加Pd，則對(duì)H2和CO呈現(xiàn)出較高的靈敏度；而對(duì)丁烷(C4H10)、丙烷(C4H8)、乙烷(C4H6)等烷烴類氣體則靈敏度很低，如下圖(a)所示。如果在ZnO中添加Pt，則對(duì)烷烴類氣體有很高的靈敏度，而且含碳量越多、靈敏度越高，而對(duì)H2和CO氣體則靈敏度很低，如下圖(b)所示。第36頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、氣體傳感器的應(yīng)用

氣敏傳感器應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報(bào)警，如可制成液化石油氣、天燃?xì)?、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報(bào)警器。也可用于對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及在醫(yī)療上用于對(duì)O2、CO2等氣體的測(cè)量。生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測(cè)等方面。

第37頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(1)、電源電路

一般氣敏元件的工作電壓不高(3V～10V)，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過(guò)大，使氣敏元件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。(2)、輔助電路

由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。如采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。第38頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(3)、檢測(cè)工作電路

這是氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動(dòng)其工作而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

~220VBZ氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR第39頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五案例1.燃?xì)鈭?bào)警器各類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測(cè)和報(bào)警都可以用相應(yīng)的氣敏傳感器及其相關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如氣體成分檢測(cè)儀、氣體報(bào)警器、空氣凈化器等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂(lè)場(chǎng)所等。家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器第40頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

下圖是一種最簡(jiǎn)單的家用氣體報(bào)警器電路。氣-電轉(zhuǎn)換器件采用測(cè)試回路高電壓的直熱式氣敏元件TGS109。當(dāng)室內(nèi)可燃性氣體增加時(shí)，由于氣敏元件接觸到可燃性性氣體而其阻值降低，這樣流經(jīng)回路的電流便增加，可直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

設(shè)計(jì)報(bào)警時(shí)，應(yīng)合理選擇開(kāi)始報(bào)警濃度，選低了，靈敏度高，容易產(chǎn)生誤報(bào)；選高了，又容易造成漏報(bào)，起不到報(bào)警效果