电子课件现代传感器原理及应用-9

第五章

气体传感器

Gassensors第五章气体传感器第五章气体传感器

Gassensors

§5.1概述

Introduction

§5.2

半导体电阻型气体传感器

Semiconductorresistance-typegassensors§5.3

结型气体传感器Junction-typegassensors

§5.4

浓差电池Concentrationcells§5.5接触燃烧式气体传感器

Contactcombustion-typegassensor

§5.6

光学类气体传感器

Opticalgassensors§5.7

气体传感器的应用

Applications第五章气体传感器Gassensors§5.1概述

二、分类：1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式等等。2.从构成传感器材料的形态上分为两大类：干式气体传感器是指利用固体感测气体的；湿式气体传感器是利用水溶液或电解液与电极感知气体的。

三、对不同气体的检测方法，主要有：用半导体器件检测气体的电气法、用电极和电解液检测气体的电化学法、用光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。这些方法的物理效应、化学效应等用于开发多种气体传感器。

一、定义:能够把气体信息变成电信号的装置。§5.1概述

二、分类：1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式四、气体传感器的主要应用领域四、气体传感器的主要应用领域五、气体传感器的主要参数与特性灵敏度----标志传感器对气体的敏感程度。用其输出变化量ΔU与气体浓度变化量ΔP之比S表示；也可用空气中的输出值U0与在被测气体中的输出值Ug之比K表示；即：2.响应时间----指从传感器与被测气体接触，到其输出达到新的恒定值所需要的时间，表示其对被测气体的反应速度。3.选择性----指在多种气体共存时传感器区分气体种类的能力，对某种气体有较高的灵敏度表示对它的选择性好。五、气体传感器的主要参数与特性灵敏度----标志传感器对气4.稳定性-----当气体浓度不变、其它条件变化时，气敏元件输出特性维持不变的能力。表示传感器对气体浓度外各种因素的抵抗能力。5.温度特性-----灵敏度随温度变化的特性。元件自身温度与环境温度对灵敏度都有影响。采用温度补偿方法。6.湿度特性-----灵敏度随环境湿度变化的特性，会影响检测精度。采用湿度补偿方法。4.稳定性-----当气体浓度不变、其它条件变化时，气敏元§5.2半导体电阻型气体传感器Semiconductorresistance-typegassensors

5.2.2

体电阻型气体传感器Bodyresistance-typegassensors

5.2.1

表面电阻型气体传感器Thesurfaceresistance-typegassensors

§5.2半导体电阻型气体传感器5.2.2体电阻型气体传

一、定义：半导体的表面电阻或电导率随吸附某气体浓度而变化的元件----有SnO2、ZnO、WO3等。N型半导体吸附气体后阻值变化图：5.2.1表面电阻型气体传感器一、定义：半导体的表面电阻或电导率随吸附某气体浓度而变化的

当气体分子的亲和能>半导体表面电子的逸出功时，如氧气、氧化氮气体会从表面夺取电子；对于N型半导体，表面多数载流子（电子）浓度会减少，电阻增加。

若气体分子…<半导体表面电子的逸出功时，如H2、CO、C2H5OH及各种碳氢化合物；对于N型表面，电子浓度增加，电阻减小。

因此，认为产生气敏性。二、阻值变化机理：当气体分子的亲和能>半导体表面电子的逸出功时，如氧气、氧5.2.1.1SnO2系气敏元件5.2.1.2ZnO系气敏元件5.2.1.3其他氧化物气敏元件5.2.1.1SnO2系气敏元件5.2.1.2Zn一、工作原理SnO2性能稳定，是一种N型半导体

当接触空气中O2和NO2时，吸附氧会束缚SnO2表面中的电子，使表面的电子减少，SnO2器件的电阻增加。再与被测气体（如H2、CO）接触时与吸附氧发生反应，将被氧束缚的电子释放出来，表面电导增加，使电阻减小。∴用于检测可燃的还原性气体如H2、CO。

5.2.1.1SnO2系气敏元件一、工作原理SnO2性能稳定，是一种N型半导体5.二、SnO2气敏元件1.烧结型SnO2气敏元件（l）直热式SnO2气敏元件----又称内热式器件工作温度约300℃，按照其加热方式可分为直热式与旁热式两种。二、SnO2气敏元件1.烧结型SnO2气敏元件（l）芯片----以SnO2为主成份的烧结体，中间埋设两根电极并兼作加热器的螺旋形铂-铱合金线(阻值约为2～5Ω)。见图a测量时电极3和4短接成一个电极，并与1组成测量电阻，如图（c），它与加热电路1,2间共用1端，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，最终会造成元件的失效，寿命短。气敏元件的构成包括：

芯片(敏感体和加热器)、基座、金属防爆网罩芯片----以SnO2为主成份的烧结体，中间埋设两根电极并兼（2）旁热式SnO2气敏元件

包括：薄壁陶瓷（含Al2O375%的75瓷管）、气体敏感层（厚度<100μm涂覆浆料层烧结）；金电极及铂-铱合金丝引出线；加热器（螺旋形高电阻金属丝（Ni-Cr）30～40Ω）。避免了测量与加热相互干扰，可靠性和使用寿命都较高。（2）旁热式SnO2气敏元件包括：薄壁陶瓷（含Al2O结构：由基片、加热器和气体敏感层三部分组成，如图。优点：①用丝网印刷浆料制备，机械强度、一致性都较好，②与厚膜混合IC工艺相容、与阻容元件制在同一基片上。2.厚膜型SnO2气敏元件厚膜型SnO2气敏元件结构厚膜气敏传感器特性结构：由基片、加热器和气体敏感层三部分组成，如图。优点：①用3.薄膜型SnO2气敏元件在绝缘基板上，蒸发一层SnO2薄膜，引出电极工作温度较低（约250℃），很大的比表面积，活性较高、气敏性好；结构图：3.薄膜型SnO2气敏元件在绝缘基板上，蒸发一层SnO2R0--在洁净空气中的阻值。对乙醇气体的灵敏度很高下图:不同温度的气体灵敏度，对乙醇在350～400℃时灵敏度高，对CO在250℃时灵敏度高。利用温度特性可对不同气体选择性检测。薄膜SnO2气敏器件的灵敏度特性图R0--在洁净空气中的阻值。薄膜SnO2气敏器件的灵敏度特性组成:加热电阻、电极、SnO2超微薄膜在100nm下；基片:N型硅，测量温度的PN结；SiO2绝缘层。优点：很高的表面活性，较低温度与气体发生化学吸附。功耗小、灵敏度高、且硅基片与IC兼容，且选择性好，响应恢复时间快。

超微粒SnO2薄膜气敏元件结构超微SnO2元件温度特性组成:加热电阻、电极、SnO2超微薄膜在100nm下；基片:原理：ZnO是N型半导体，吸附大气中的氧分子，氧会夺取电子使电阻值上升。若接触还原性气体，催化剂下与氧反应其电阻下降。

用铂催化剂时，对乙醇、丙烷、丁烷等灵敏度较高。用钯作催化剂时对氢、CO等灵敏度较高。

加入少量2%wt的三氧化二铬，使其稳定性改善。1．烧结型ZnO气敏元件5.2.1.2ZnO系气敏元件原理：ZnO是N型半导体，吸附大气中的氧分子，氧会夺取电子使氟代烃化合物的主要成分：二氟二氯甲烷（Cl2-C-F2）和二氟一氯甲烷（Cl-CH-F3）只有ZnO中添加由钒-铂-铝复合催化剂后对氟代烃气体灵敏度较高氟里昂ZnO气敏元件的相对灵敏度催化剂对灵敏度的影响氟代烃化合物的主要成分：二氟二氯甲烷（Cl2-C-F2）和二2.薄膜型ZnO气敏元件---是对乙醇、甲烷、CO、汽油（汽油主要是由C4~C10各族烃类组成，是混合物）等灵敏度较高的酒敏元件。对乙醇的灵敏度比对汽油的高出近一倍；再配合适当的辅助电路，可避免汽油对酒精的干扰。

结构示意图：2.薄膜型ZnO气敏元件---是对乙醇、甲烷、CO、汽油（3.多层式复合型ZnO气敏元件结构：绝缘基片、ZnO薄膜、催化剂层（铂铱合金片、RuO2）、电极。用铂铱合金片以促进对氧和乙醇的吸附；铂铱片+RuO2电极C；RuO2电极（A和B）促进乙醇的氧化；乙醇气氛中测量A与B间电阻，同时用A(或B)与C来测定元件与温度的关系。3.多层式复合型ZnO气敏元件结构：绝缘基片、ZnO薄膜一、WO3系气敏元件

石英衬底上Pt-Au电极+50nm～1μm的WO3+Pt电极----气敏元件。对H2、N3H4、NH3、H2S与碳氢化合物等很敏感。WO3元件随H2S浓度的变化有较宽的线性范围（0～100ppm）。5.2.1.3其他氧化物气敏元件一、WO3系气敏元件石英衬底上Pt-Au电极+50nmWO3元件对H2S有良好的选择性，对乙醇有较高的灵敏度。

三种元件对10ppmH2S气体的响应恢复特性：SnO2元件响应时间为32秒，恢复时间约80s；ZnO元件为24s，58s；WO3元件为2s和26s。WO3元件对H2S有良好的选择性，对乙醇有较高的灵敏度。三种5.2.2.1氧化铁系气敏元件5.2.2.2TiO2

、Nb2O5氧敏元件5.2.2.3其它氧敏元件5.2.2体电阻型气体传感器5.2.2.1氧化铁系气敏元件5.2.2.2TiO2一、尖晶石γ-Fe2O3气敏元件原理：

γ-Fe2O3是N型半导体若γ-Fe2O3体电阻吸附还原性气体，部分Fe3+获得电子被还原成Fe2+，电阻率变为很低。当吸附在元件上的还原性气体解吸后，Fe2+被空气中的氧所氧化成为Fe3+，电阻率提高。5.2.2.1氧化铁系气敏元件∴γ-Fe2O3只有在空气或氧中对还原性气体有气敏性一、尖晶石γ-Fe2O3气敏元件原理：γ-Fe2O3是N型γ-Fe2O3气敏元件工作温度较高400～420℃。由于铁是过渡金属，是很好的催化剂，对丙烷（C3H8）和异丁烷（i-C4H10）的灵敏度较高C3H8和i-C4H10正是液化石油气（LPG）的主要成份。因此，γ-Fe2O3气敏元件又称为“城市煤气传感器”。γ-Fe2O3气敏元件的响应特性γ-Fe2O3气敏元件工作温度较高400～420℃。γ-Fe二、刚玉α-Fe2O3气敏元件-–N型半导体材料1.灵敏度特性Rs是器件的电阻值，C是气体浓度，n是与不同气体有关的常数由图可见，除乙醇外对其它气体，元件电导率随着可燃气体浓度的增加而增加，电阻减小，近似关系为：Rs∝C-n

二、刚玉α-Fe2O3气敏元件-–N型半导体材料1.灵敏度α-Fe2O3气敏传感器的电阻随环境温度的上升而下降：α-Fe2O3气敏传感器的电阻随环境温度的上升而下降：一、原理：TiO2：金红石结构的N型半导体，添加铂催化剂。元件工作时环境中的氧先在铂上吸附形成原子态氧，再与TiO2发生化学吸附，300℃以上对氧有较好的响应特性。TiO2电阻随T升高而下降，与元件吸附氧后电阻率下降现象混淆，造成测量误差。温度补偿原理图用氧化钴-氧化镁二元系材料作温度补偿元件。5.2.2.3TiO2

、Nb2O5氧敏元件一、原理：TiO2：金红石结构的N型半导体，添加铂催化剂。温TiO2元件电阻率与环境中氧分压的关系：k为玻尔兹曼常数，EA为电导过程的活化能，T为绝对温度，n、Po2为均为材料常数，与材料种类、是否掺杂等因素有关

薄膜型Nb2O5氧敏元件：叉指电极（Pt电极）+氧化铝基片+溅射厚数千埃Nb2O5膜层，+基片背面上铂薄膜加热器因氧空位在较小Nb2O5中的扩散速度比TiO2中大，响应特性好；尺寸较小（1.5×1.5×0.2mm），灵敏度较高。薄膜型TiO2系氧敏元件响应速度比ZrO2陶瓷氧敏元件快TiO2元件电阻率与环境中氧分压的关系：k为玻尔兹二、TiO2氧敏元件灵敏度特性空气过剩率λ=空燃比（空气/燃料）与化学计量比的空燃比之比（理论燃烧时所需空气/燃料）λ=1，TiO2中氧化还原达到平衡态；λ>1氧量充足，<1氧量不足。氧敏元件没有催化剂的电阻随λ的增加比较缓慢。有Pt催化剂在λ=1附近电阻急剧增加。为控制空燃比常需检验λ值，要用有Pt等催化剂的氧敏元件。400℃时电阻（R）与空气过剩（λ）的关系：二、TiO2氧敏元件灵敏度特性空气过剩率λ=空燃比（空气三、静态特性可看出，在400℃时，在λ=1时输出值急剧变化；只有Nb2O5的阻值在200℃与400℃时的差不多，TiO2和ZrO2元件在200℃时向上偏离TiO2和Nb2O5、ZrO2氧敏元件电阻、电压与空气过剩率的静态关系:三、静态特性可看出，在400℃时，在λ=1时输出值急剧变四、动态响应特性在400℃时所有元件的输出值响应还是很快的。但在200℃时，Nb2O5元件有良好响应变。Nb2O5氧敏元件的响应最好，响应时间小于50s；TiO2和ZrO2元件响应时间较长，且温度依赖较大。四、动态响应特性在400℃时所有元件的输出值响应还是很快一、多层薄膜气敏传感器结构图:第一层Fe2O3+TiO2作为导电层;第二层是SnO2或WO3作为敏感层。若用SnO2对H2和CO灵敏度高；若用WO3薄膜则对异丁烷灵敏度高。选择不同气敏材料可实现对气体选择性检测。随着材料和层数、层次的不同具有其独特的性质；克服了贵金属表面修饰所存在的中毒现象和其它弊病。内阻高，工作电流小、稳定性好、降低了功耗。5.2.2.3其它氧敏元件一、多层薄膜气敏传感器结构图:第一层Fe2O3+TiO2作结构图：在陶瓷基片上，用丝网印刷制成混合型厚膜器件有三种金属氧化物半导体敏感膜：

测量CH4的SnO2膜、

测CO的WO3膜

测C2H5OH的LaNiO3膜二、混合厚膜型气敏传感器优点：不同的敏感膜对气体进行选择性检测；易实现器件敏感膜和加热器的集成化；可小型化、电压工作低；温度特性好；易于组装；成本低、易于批量生产；工作温度：400℃。结构图：在陶瓷基片上，用丝网印刷制成混合型厚膜器件二、混合厚三、复合氧化物气敏传感器主要的气敏材料：钙钛矿型稀土金属氧化物LaNiO3

、LaNi1-yFeyO3

、La0.5Si0.5CoO3等LaNiO3系可检测乙醇、CO及烟雾等，与还原性气体接触时电导率变小；ZnSnO3和Zn2SnO4，对乙醇气有较高；β-CdSnO3表面电阻控制型气敏材料，对C2H2、C2H5OH及LPG有很高的灵敏度。三、复合氧化物气敏传感器主要的气敏材料：钙钛矿型稀土金属氧5.3.1气敏二极管5.3.2MOSFET型气敏元件5.3.3其它结型气体传感器5.3

结型气体传感器5.3.1气敏二极管5.3.2MOSFET型气敏元目前常用：Pd/CdS，Pd/TiO2，Pt/TiO2等。其整流作用随功函数因吸附气体而变化。一、Pd—TiO2结型气敏传感器5.3.1气敏二极管2.原理：在正偏压下电流随气氛浓度增加而变大。可从一定偏置电压的电流或产生一定电流时的偏压来测定气氛的浓度。1.结构：目前常用：Pd/CdS，Pd/TiO2，Pt/TiO2等。不同氢气浓度时的曲线：a、b、c、d、e、f、g。因空气中氧的吸附使Pd的功函数变大，肖特基势垒会增高；当遇到氢气时，吸附氧会消失，Pd的功函数降低，势垒也降低，正向电流变大。

不同氢气浓度时的曲线：a、b、c、d、e、f、g。二、MOS二极管气敏元件1.结构：Pd-MOS敏感元件等效电路图p型硅上热氧化50～100nmSiO2层，再蒸发钯金属薄膜为栅电极。2.原理：利用MOS二极管的电容电压C—U特性制成。

SiO2层电容Cox固定不变的，Si—SiO2界面电容Cx是外加电压的函数。所以总电容C是栅极偏压的函数二、MOS二极管气敏元件1.结构：Pd-MOS敏感元件p型由于钯在吸附H2后功函数降低，且所吸附气体的浓度不同功函数变化量不同，引起MOS管的C—U特性向负偏压方向平移，由此可测定H2的浓度。3.MOS二极管的C—U特性由于钯在吸附H2后功函数降低，且所吸附气体的浓度不同功函数变元件：由CuO和SnO2粉混合烧结制成CuO-SnO2异质PN结器件原理：

CuO是P型半导体，SnO2是N型半导体。

当元件暴露在含H2S的气氛中时，CuO与H2S发生反应：

P型CuO转变成良导体CuS，元件电阻显著下降，对H2S的灵敏度很高。

当元件从H2S气氛中回到空气中时，CuS与O2发生反应：H2S传感器的灵敏度高，功耗低。三、异质结H2S传感器元件：由CuO和SnO2粉混合烧结制成CuO-SnO2异质P在钨基片上沉积重硼P型金刚石膜，镀上一层无杂质金刚石，表面热蒸发形成钯电极。对氢气灵敏度高，在55℃下0～0.01Torr间,灵敏度为170mA/Torr。在85℃空气中在1s内完全响应，6s后恢复。四、金刚石膜schottky二极管氢敏传感器在钨基片上沉积重硼P型金刚石膜，镀上一层无杂质金刚石，表面热一、工作原理当G极上没加电压时（UGS=0），S极和D极间加上电压UDS，ID=0；如加一个正电压UGS，在G极下SiO2层会形成一个电场，P型硅衬底内的电子被吸引到硅表面形成有一定电子浓度的薄层，导电类型相反称为反型层，称为N型沟道。UDS会产生漏电流ID。改变UGS大小可改变N型沟道的宽度，控制漏电流ID的大小。增强型MOSPET结构示意图：5.3.2MOSFET型气敏元件一、工作原理当G极上没加电压时（UGS=0），S极和D极间MOSFET的UGS-ID关系图可见，在UGS高于临界值UT后才会有漏电流ID。阈值电压UT：导通的临界栅电压。UT与MOS结构的表面状态、界面状态等的关系为：

φm为栅极金属功函数；φs为半导体功函数；φF为形成反型层时沟道表面与衬底的电势差，称为扩散电势；ε为SiO2介电系数；QSS为在Si—SiO2界面的SiO2表面电荷密度；d为SiO2的厚度；Cox为氧化层电容MOSFET的UGS-ID关系图可见，在UGS高于临界值UTMOSFET气敏元件：利用UT对栅极表面吸附的气体非常敏感的特性；在UDS一定时，改变UGS的大小来控制漏电流ID。只有当UGS>UT时才能形成漏电流ID。当栅极吸附了被测气体后，栅极与半导体的功函数和表面状态发生变化，使UT相应改变。由UT的变化来测定被测气体的性质和浓度。MOSFET气敏元件：利用UT对栅极表面吸附的气体非常敏感的二、Pd-MOSFET集成氢敏元件先制一个扩散硅电阻加热元件，再作钯栅MOS晶体管和一只硅二极管作测温元件，形成一个集成氢气传感器。当测温二极管与加热电阻形成一个闭环控制系统时，可保证集成传感器工作在恒温状态。结构图：二、Pd-MOSFET集成氢敏元件先制一个扩散硅电阻加热元原理：在钯催化使氢电离成并扩散到钯膜与SiO2界面上形成电偶极层，降低了金属与半导体的功函数差。MOS晶体管由漏源间形成N沟道而导通。

测量氢气浓度时，将漏极与栅极短接。在漏源极间加恒流100μA使MOS管刚刚开启，此时：

若ID恒定，当氢气扩散入钯栅层后必然引起UT变化，同时引起栅源间电压变化，则有：

氢气量越多，功函数变化越大，ΔUT越大，则栅源间电压变化ΔUG越大。这样，通过测量栅源间电压ΔUG，就可测知周围氢气的含量。原理：在钯催化使氢电离成并扩散到钯膜与SiO2界面上形成电偶三、氨敏元件

先在SiO2上淀积一层d轨道未被填满的过渡金属衬底层（如La、Ir、Pt），再形成钯栅，使氨在钯栅表面的分解速度增大，反应为：

氨分解的氢原子透过栅极扩散到Pd-SiO2界面，使Pd的功函数下降。不同衬底都可使NH3的响应特性改善。NH3(环境中氨)NH3（吸附在Pd表面的氨）

N+3H（吸附在Pd表面）用于制造尿素、肥料和亚硝酸工业中。三、氨敏元件先在SiO2上淀积一层d轨道未被填满的过渡金四、SnO2-MOSFET

CO气敏元件为了提高其低温下的灵敏度，常在SnO2表面溅射一层10～50Å的Pd层，对CO有较好的响应特性。Pd、Pt-SnO2栅气敏元件对CO的响应特性：四、SnO2-MOSFETCO气敏元件为了提高其低温下的五、PdO-Pd双层孔栅Pd-MOSFET对CO具有敏感性能PdO-Pd双层“孔栅”结构剖面“孔栅”结构----是在普通MOS管的金属栅上开出许多孔洞。或将钯栅氧化，用金作保护层，得到保护层金属-Pd双层“孔栅“结构。五、PdO-Pd双层孔栅Pd-MOSFET对CO具有敏感性能

孔栅允许CO分子渗入并到洞底的SiO2表面，CO分子再沿着孔洞周界层隙向Pd-SiO2界面扩散进去。

孔钯栅MOS器件对CO具有敏感性能。因为钯对氢的“离析溶解”特性，对氢气的灵敏度大于对CO的灵敏度。带孔双层栅结构，可抑制对H2的灵敏度，保持较好的CO灵敏度，改善元件对CO的灵敏度和选择性。孔栅允许CO分子渗入并到洞底的SiO2表面，CO分子再沿定义----用固体电解质作为介质，加上孔状电极，两边因气体浓度差而产生电位差的气体传感器。固体电解质依靠在低于其熔点温度下阴或阳离子导电，其电导率为10-1～10-2（Ω·cm）-1）：如ZrO2的氧离子、LiSO4的Li+离子都有传导性。主要有O2-(CaTi10.9Mg0.05O3-α,CeO2,Bi1.5W0.24O3)、F-(LaF3,Pb1-xBixF2+x,PbF2,CaF2)、Cl-(PbCl2,SnCl2,CsPbCl2)、Br-(PbBr2,CsPbBr2)、Na+(Na-βAl2O3,Na2ZrPSiO12,Na-βGa2O3)、NH4+(NH4-βAl2O3)等等。S、SO2、SO3、N02、卤素等多种。5.4

浓差电池气体传感器定义----用固体电解质作为介质，加上孔状电极，两边因气体浓5.4.1浓差电池式ZrO2氧传感器5.4.2SO2传感器5.4.1浓差电池式ZrO2氧传感器5.4.2SO用ZrO2固体电解质为工作介质：ZrO2有氧离子传导性，添加适量的CaO或Y2O3等的固溶体，Ca2+和Y3+置换了Zr4+部分位置，产生氧的空位（O2-），即稳定化ZrO2介质。在一定高温下，当稳定化ZrO2介质两侧有多孔性金属电极，且两侧氧浓度不同时，出现高浓度侧氧通过氧空位以O2-离子状态向低氧浓度一侧迁移，形成氧离子电导特性。两侧电极上产生氧浓差电势，即形成一种浓差电池。如下图：5.4.1浓差电池式ZrO2氧传感器用ZrO2固体电解质为工作介质：ZrO2有氧离子传导性，添加氧浓差电池结构图、原理图：参比电极和测量电极都是金属Pt，且有让氧离子通过的多孔。氧浓差电池结构图、原理图：参比电极和测量电极都是金属Pt，高浓度侧：在参比电极上吸附一个氧分子，与4个电子形成两个O2-离子进入电解质，使参比电极带正电位；低浓度侧：两个O2-离子经高温受热的电解质到达测量电极，给出4个电子使测量电极带负电。高浓度侧参比电极上:O2+4e2O2-低浓度侧测量电极上:2O2-O2+4e对于理想气体所产生的电动势E，可用Nernst公式表示：R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数，PR为高氧浓度，PM为低氧浓度。高浓度侧：在参比电极上吸附一个氧分子，与4个电子形成两个O2T=700℃时，若参比气体为空气（即氧分压较大），E值与测量侧气体的氧含量或氧分压P值关系：T=700℃时，若参比气体为空气（即氧分压较大），E值与测量控制空燃比的ZrO2氧传感器的结构：由产生电动势的ZrO2电解质管、起电极作用的衬套、以及防止ZrO2管损坏和导入汽车排气的进气孔组成。ZrO2管的内、外表面有一薄层铂，起电极作用+对CO与O2的反应起催化作用。ZrO2氧传感器的结构

输出特征控制空燃比的ZrO2氧传感器的结构：由产生电动势的ZrO2电

特点：（1）工作温度较高（在800℃以上），用催化性强的二氧化钌（RuO2）工作温度降至300℃，扩大应用范围，延长电池的使用寿命。（2）电解质及电极材料的物理化学性能受高温的影响。

如控制汽车的空气/燃料比；在锅炉和内燃机中测量和控制燃烧过程；控制高温炼钢的质量；用于环境保护，分析和监控大气污染。特点：（1）工作温度较高（在800℃以上），用催化性二、ZrO2微量氧分析仪除氧单元为分子筛高效脱氧，配氧单元为电化学氧化锆氧泵，测氧单元为ZrO2浓差电池。当样品被分成（I）和（II）两条气路，假设，Px代表样品气中的氧含量；Pa1得Pa2分别为向气路（I）和（II）中泵入的氧量；Pc1和Pc2分别为两气路中与可燃性气体反应而消耗掉的氧量；P1和P2分别为两气路中最终测得的氧含量。于是：设计原理框图：二、ZrO2微量氧分析仪除氧单元为分子筛高效脱氧，配氧单元根据法拉第定理：Pa为配氧量（×10-6），I为泵电流（mA），q为载气流速L/h当两气路中气体流量相等，两个配氧单元（I、II）电极两端的电流相等时，向两气路中泵入的氧量也相等，即Pa2=Pa1，所以两气路中与可燃性气体反应消耗的氧也应相等，即Pc1=Pc2。测出氧单元（I、II）两端的电势E1和E2，计算出P1和P2，从而求出Px。求出样品气体中的氧含量：根据法拉第定理：Pa为配氧量（×10-6），I为泵电流（m三、极限电流式ZrO2氧传感器当给ZrO2上加电压时，氧经ZrO2被从阴极泵到阳极，泵电流引起电极极化，使单位外电压的增加所产生的泵电流的增加逐渐减小，出现电流不变的现象，这个泵电流称为极限电流。极限电流式ZrO2氧传感器原理图与特性曲线：三、极限电流式ZrO2氧传感器当给ZrO2上加电压时，氧经用这种方法构成的氧传感器称作极限电流氧传感器在ZrO2上施加电压时，与待测气体有小孔相连的小室内，氧形成氧负离子（O2-）被抽到另一侧，在电极电路中有电流流过；增大电压，流经回路的电流增大；待电压超过某一数值时，电流不再增大而达到极限值。用这种方法构成的氧传感器称作极限电流氧传感器在ZrO2上施加IL与被测环境中氧气的含量成正比，且完全决定于氧向小室内扩散的速率（由扩散孔的面积和长度所决定），表示为：DO2是N2中氧的扩散系数，S是扩散孔面积，L是扩散孔长度，PO2是待测气体的氧分压值。∴IL被镀在ZrO2管外的涂覆层所限制。应用时,管子外部暴露在汽车尾气中直接和尾气接触，内电极和空气接触。主要应用于缺氧报警、环境氧浓度测定与监控，汽车发动机燃烧室的空燃比测控等。IL与被测环境中氧气的含量成正比，且完全决定于氧向小室内扩散测量固定燃烧排气中的SO2传感器结构:采用Li+离子导体，即LiSO4电解质；由于SO2和氧共存会反应生成SO3，其电化学电池表示为：决定电位的电极反应：5.4.2SO2浓差电池传感器Pt（Oˊ2、SOˊ2、SOˊ3）/LiSO4/Pt（SO"3、SO"2、O"2）测量固定燃烧排气中的SO2传感器结构:决定电位的电极反应：当氧浓度高时，电动势E可表示为：式中PSO2（in）是两侧送入的SO2的分压。如一侧流过已知浓度的SO2，E可求得另一侧的SO2浓度。如以5%Ag2SO4固溶于Li2SO4中制成电解质，电化学电池：Au、Ag/Li2SO4(5%AgSO4)/SO3、SO2、O2、Au效果较好。如用硝酸盐和碳酸盐作为固体电解质，可作成测量NO、NO2和CO、CO2的传感器。当氧浓度高时，电动势E可表示为：式中PSO2（in）是两侧5.5.1气敏元件的检测原理与结构5.5.2气敏元件的特性5.5

接触燃烧式气体传感器5.5.1气敏元件的检测原理与结构5.5.2气敏元1.可燃气体（H2、CO、CH4、LPG）与空气中氧接触发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使铂丝温度升高，具有PTC的铂电阻值增加，且在T不太高时，电阻率与温度有良好的线性关系。2.一般空气中可燃性气体都可完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度成正比；铂电阻的增大量ΔR就与可燃性气体浓度成正比。一、原理：实际在铂丝圈外涂覆一层氧化物触媒，以延长其寿命，提高响应特性。5.5.1气敏元件的检测原理与结构1.可燃气体（H2、CO、CH4、LPG）与空气中氧接触发生a）元件的内部示意图b）敏感元件外形图1.直径50～60μm的99.999%铂丝绕制成直径约为0.5mm的线圈；2.在线圈外面涂以氧化铝或与氧化硅组成的膏状涂覆层，一定温度下烧结成球状多孔载体；3.浸渍钯盐溶液高温在多孔载体上形成贵金属接触媒层；4.组装成气体敏感元件。二、结构图：a）元件的内部示意图b）敏感元件外形图1.直径50～6图中F1是气敏元件，F2补偿元件，F2铂线圈的尺寸、阻值、载体层与F1相同，只是无贵金属触媒粉体。以补偿环境温度变化、电源电压变化等所引起的偏差。工作时要求在F1和F2上应保持一定电流（100～200mA），以供给可燃性气体F1上接触燃烧所需的热量。三、接触燃烧式气敏元件的检测电路图中F1是气敏元件，F2补偿元件，F2铂线圈的尺寸、阻值、载如果BD上电阻为R1，BC上为R2，F1的电阻为RF1，F2的电阻为RF2；当F1与可燃性气体接触时，剧烈的氧化反应释放出热量，温度上升电阻值增大，电阻变化为ΔRF，所以，A、B间的电位差E：如果BD上电阻为R1，BC上为R2，F1的电阻为RF1，F2由于平衡条件，则：而ΔRF可以表示为：α为元件的电阻温度系数；ΔT为燃烧引起的温度增加值；ΔH为气体燃烧的发热量；Q为气体的燃烧热，由气体的种类决定；M为燃性气体的浓度[%（vol）]；C为气敏元件的热容量；β为气敏元件上涂覆的催化剂决定的常数。由于平衡条件，则：而ΔRF可以表

，A、B间的电位差E与可燃性气体的浓度m成正比。若与相应的电路配合，能在空气中可燃性气体达到一定浓度时自动发出报警信号。，A、B间的电位差E与可燃性气体的浓横坐标：气体浓度单位对于不同的可燃性气体其值不同；输出电压与浓度成正比大多数可燃性气体的摩尔燃烧热（Q）与可燃性气体的爆炸下限浓度（m）的乘积（m·Q）大体上是一个常数。优点：与之配套的二次仪表设计简单；此气体传感器可作为定量检测元件。LEL：Lowerexplosionlimit5.5.2气敏元件的特性横坐标：气体浓度单位LEL：Lowerexplosion原理：

采用近红外线低损耗光纤系统、低功率激光器及其低成本低损耗光纤耦合，研究被测气体分子对近红外光的吸收或差动吸收，可实现大气远距离在线检测与控制。5.6.1光纤气体传感器5.6

光学类气体传感器原理：5.6.1光纤气体传感器5.6光学类气体传感一、差动吸收法光纤远距离测量系统

图中光源为激光器，或发光二极管。将光源用光纤连接到被测气体多次反射吸收盒即气体怀特盒。被调谐的激光器的两个频率fA、fW分别取在被测气体分子吸收频率和非吸收频率上。一、差动吸收法光纤远距离测量系统图中光源为激光器，或发光二

怀特盒输出光信号经透镜到光劈B·S·(1)，光劈把光分为两束，分别经滤光片L1、L2得到λ1、λ2两波长光信号，由硅光电二极管PD1、PD2转换为电信号Is(λ1)、Is(λ2)；

为消除光源发光不稳定性带来的测量误差，用光栅把λ1、λ2分别送至两硅光电二极管PD3、PD4，变为电信号Ir(λ1)、Ir(λ2),

四个电流信号在模拟处理单元进行信号处理，并显示记录被测气体浓度、补偿光纤传输损失、激光器发光不稳定性以及系统系数的标定。怀特盒输出光信号经透镜到光劈B·S·(11.用可见光吸收遥测NO2浓度原理：在可见光谱内，空气污染中只有NO2分子呈现很大的吸收特性；选择λ1=496.5nm为最小吸收波长，λ2=514.5nm为最大吸收波长。可用氩离子激光器为光源，用上图实现两者的差动测量以表征空气中NO2的含量。两波谱上的差动吸收系数为Δα=5.9×102/m。由光纤传送的怀特NO2浓度实时测量结果曲线：1.用可见光吸收遥测NO2浓度原理：在可见光谱内，空气污染

传感器光信号通过差动信号检测与处理，显示和记录空气中被测NO2浓度。

把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速（约500rpm,A区）到高速（约3000rpm,B区）变化进行测试，所得实时测量结果如图所示。如光路长度Lc=1km，光纤长度Lf=1.3km时，探测NO2浓度的灵敏度可达Nmin=3.0×10-8。

完全满足一般城市大气中NO2浓度的检测要求。传感器光信号通过差动信号检测与处理，2.用近红外光遥测CH4浓度原理：由于硅光纤对近红外光波段的传输损失；大气的污染气体：CH4、HCl、CO2等都在近红外区分布有吸收谱线。所以用波长为0.92～1.65μm的近红外光InGaAsP或InGaSbP半导体激光二极管（LD），可实现分子浓度的远距功率离遥测。选择1.66μm的LD做光源，更有利于提高探测灵敏度。CH4为6.5%浓度时的CH4-N2混合气体结果，光纤系统吸收测量CH4浓度图:在1.66μm谱线CH4分子吸收系数比在1.33μm更大2.用近红外光遥测CH4浓度原理：由于硅光纤对近红外光波段的二、光纤NH3气体传感器

探头结构图：原理：气体穿过透气膜进入探头,使探头内部电解质溶液的PH值发生变化，从而改变了内充液中指示剂的共轭酸碱异构体的浓度比。二、光纤NH3气体传感器探头结构图：

双探头结构的光纤传感器：

两个LED发出的光经半透半反镜和透镜系统以同样的平行光束馈送入入射光纤，来自探头的信号经出射光纤直接由光电二极管接收。这样，参比光和信号光经过的路径相同，补偿了光路上的变化。整个系统结构检测灵敏度高，检测限达nmol/L级。双探头结构的光纤传感器：电容麦克型红外吸收式气敏传感器结构图：两个构造形式完全相同的光学系统，一束红外光入射到密封某种气体的比较槽内，另一束红外光入射到通有被测气体的测量槽内。两个光源同时（或交替地）以固定周期开闭。5.6.2红外吸收式传感器电容麦克型红外吸收式气敏传感器结构图：两个构造形式完全相同气体吸收峰原理图，各频率强度为I0的入射红外光穿过气体时，气体吸收自己特征频率红外光的能量后使出射光能量减弱为I原理：气体吸收峰原理图，各频率强度为I0的入射红外光穿过气体时，气

通过测量槽和比较槽的光量差值△I将随被测气体种类而不同，同时△I因同种气体浓度的不同而不同。因此，通过测量槽红外光波长和光强变化就可知被测气体的种类和浓度。若两个光学系统以一定的周期开闭，△I则以振幅形式输入到检测器。检测器是密封有一定气体的容器。两种光量振幅的周期性变化被检测器内气体吸收后，可变为温度的周期性变化，又体现为间隔薄膜两侧的压力变化而以电容量的改变量输出。αM为摩尔分子吸收系数，取决于气体种类和入射波长；L为光和气体的作用长度；C为待测气体浓度αM为摩尔分子吸收系数，取决于气体种类和入射波长；L为光和气量子型红外光敏元件气敏传感器结构：量子型红外光敏元件，红外滤光片原理：它可直接把光量变为电信号，可通过改变红外滤光片而提高元件的灵敏度和红外光谱响应特性，增加被测气体种类和扩大测量气体的浓度范围。量子型红外光敏元件气敏传感器结构：量子型红外光敏元件，红

一、简易家用气体报警电路原理：采用直热式气敏传感器TGS109。当室内可燃性气体浓度增加时，气敏传感器阻值降低，测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器BZ报警。可对丙烷、丁烷、甲烷等气体报警浓度。5.7

气体传感器的应用一、简易家用气体报警电路原理：采用直热式气敏传感器TGS1二、有害气体鉴别、报警与控制电路

二、有害气体鉴别、报警与控制电路原理：一方面可鉴别有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高，有有害气体或烟雾时阻值急剧下降，A、B电压下降使B的电压升高，RP分压升高，开关集成电路TWH8778选通，当⑤电压达预定值时（调RP），①、②两脚导通。+12V电压加到K上，触点K1-1吸合，排风扇自动排风。同时②脚+12V电压经R4限流和DW1稳压后微音器HTD发出嘀嘀声，且LED发出红光，实现声光报警。原理：一方面可鉴别有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另三、可燃性气体浓度检测电路

U257B是LED条形驱动器IC，其输出LED点亮只数与输入电压成线性关系。通常IC⑦脚电压低于0.18V时输出②-⑥脚均为低电平，LED1-LED5均不亮。当⑦脚电位等于0.18V时，LEDl被点亮；⑦脚电压为0.53V时，则LEDl和LED2均点亮；…..LEDl-LED5全部点亮。三、可燃性气体浓度检测电路U257B是LED条形驱动器I四、矿灯瓦斯报警器四、矿灯瓦斯报警器原理：瓦斯探头由QM—N5型气敏元件RQ、R1及4V矿灯蓄电池等组成。在使用前预热十几分钟以避免误报警。当瓦斯超限时，RQ减小，RP输出通过VD加到VT1基极上，VT1导通,VT2和VT3（组成一个互补式自激多谐振荡器）开始工作,

K吸合矿灯ZD自动闪光，衔铁撞击铁芯发出的“嗒、嗒”声通过矿帽传递给矿工听见，发出报警声。当瓦斯浓度低时，RP输出信号低，VT1截止，VT2、VT3也截止，无报警。原理：五、烟雾报警器电路

由电源、检测、定时报警输出三部分组成。三端稳压器7810供给烟雾检测器件（HQ-2）和运算放大器IC10V直流电源以工作，三端稳压器7805供给5V以加热。输出端可接蜂鸣器或发光器件。

五、烟雾报警器电路由电源、检测、定时报警输出三部分组成HQ-2气敏管A-B间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有烟雾环境中下降到千欧。一旦有烟雾存在，A-B间电阻便迅速减小，比较器ICl通过分压增加翻转输出高电平使VT2导通。IC2在ICl翻转前输出高电平，因此VTl也处于导通状态。只要ICl一翻转，输出端便可输出报警信号。ICl翻转后，由R3、Cl组成的定时器开始工作(改变R3可改变报警信号的长短)。当Cl被充电达到阈值时，1C2翻转，则VTl关断，停止输出报警信号。烟雾消失后，比较器复位，C1通过ICl放电。HQ-2气敏管A-B间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有烟雾六、酒精检测报警器

选用只对酒精敏感的QM-NJ9型酒精传感器AB。当酒精气敏元件接触到酒精味后，B点电压升高，当RP下电压达到1.6V时IC2导通，语音报警电路IC3得电后即输出“酒后别开车”的报警声，IC4放大后，由扬声器Y发出响亮的报警声，并驱动LED闪光报警。同时继电器K动作，其常闭触点断开切断点火电路，强制发动机熄火。六、酒精检测报警器选用只对酒精敏感的QM-NJ9型酒精传感热导率气敏元件测量电路原理图：测量原理：F1、F2可用不带催化剂的白金线圈制作，也可用热敏电阻。F2内封入已知的比较气体；F1与外界相通，当被测气体与其相接触时，由于热导率相异而使F1的温度变化，阻值发生相应变化，电桥失去平衡，电桥输出信号的大小与被测气体的种类或浓度有确定的关系。5.8.1

热导率变化式气体传感器5.8

新型气体传感器热导率气敏元件测量电路原理图：测量原理：F1、F2可用不带

每种气体都有固定的热导率，混合气体的热导率也可以近似求得。用热导率变化法测气体浓度时，以空气为基准比较被测气体。这类气体传感器除用于测量可燃性气体外，也可用于无机气体及浓度的测量。每种气体都有固定的热导率，混合气体的热导率也可以近似求得。主要部分是石英振子，其上镀有贵金属催化剂膜。当振子暴露在可燃性气体中时，气体燃烧，振子温度升高，引起振动频率变化而检测可燃性气体浓度，且灵敏度很高。在石英表面涂上一层膜，涂膜的重量与石英片的共振频率的变化成正比；由于涂层产生的频率变化ΔF(HZ)与石英片原来的频率F(MHZ)存在下列关系：ΔW为淀积涂层的重量；A为涂覆面积。当涂层吸附通过的气体后，重量增加，频率发生变化，而吸附与所测气体浓度(c)成正比，则：∴利用吸附气体后频率的变化来检测气体浓度。5.8.2

石英振荡式气体传感器主要部分是石英振子，其上镀有贵金属催化剂膜。在石英表面-----是由一个微粒氧化铁经烧结而成的多孔性芯子和一支绕有感应线圈的石英反应管所组成，适于有毒气体检测。原理：磁性能测定的感应线圈与测量气氛和气敏材料通过石英管隔开的，可在高温和腐蚀性气氛中长期使用。一定温度下，气体通过反应管与氧化铁芯子发生反应，芯子的磁性能发生变化，测量感应线圈的电感量变化可确定气流中活性组分的浓度。对H2气和其它还原性气体采用α-Fe2O3芯子，O2气和其它氧化性气体采用Fe3O4芯子。5.8.3

气-磁传感器结构图：-----是由一个微粒氧化铁经烧结而成的多孔性芯子和一支绕有第五章THEEND第五章THEEND第五章

气体传感器

Gassensors第五章气体传感器第五章气体传感器

Gassensors

§5.1概述

Introduction

§5.2

半导体电阻型气体传感器

Semiconductorresistance-typegassensors§5.3

结型气体传感器Junction-typegassensors

§5.4

浓差电池Concentrationcells§5.5接触燃烧式气体传感器

Contactcombustion-typegassensor

§5.6

光学类气体传感器

Opticalgassensors§5.7

气体传感器的应用

Applications第五章气体传感器Gassensors§5.1概述

二、分类：1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式等等。2.从构成传感器材料的形态上分为两大类：干式气体传感器是指利用固体感测气体的；湿式气体传感器是利用水溶液或电解液与电极感知气体的。

三、对不同气体的检测方法，主要有：用半导体器件检测气体的电气法、用电极和电解液检测气体的电化学法、用光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。这些方法的物理效应、化学效应等用于开发多种气体传感器。

一、定义:能够把气体信息变成电信号的装置。§5.1概述

二、分类：1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式四、气体传感器的主要应用领域四、气体传感器的主要应用领域五、气体传感器的主要参数与特性灵敏度----标志传感器对气体的敏感程度。用其输出变化量ΔU与气体浓度变化量ΔP之比S表示；也可用空气中的输出值U0与在被测气体中的输出值Ug之比K表示；即：2.响应时间----指从传感器与被测气体接触，到其输出达到新的恒定值所需要的时间，表示其对被测气体的反应速度。3.选择性----指在多种气体共存时传感器区分气体种类的能力，对某种气体有较高的灵敏度表示对它的选择性好。五、气体传感器的主要参数与特性灵敏度----标志传感器对气4.稳定性-----当气体浓度不变、其它条件变化时，气敏元件输出特性维持不变的能力。表示传感器对气体浓度外各种因素的抵抗能力。5.温度特性-----灵敏度随温度变化的特性。元件自身温度与环境温度对灵敏度都有影响。采用温度补偿方法。6.湿度特性-----灵敏度随环境湿度变化的特性，会影响检测精度。采用湿度补偿方法。4.稳定性-----当气体浓度不变、其它条件变化时，气敏元§5.2半导体电阻型气体传感器Semiconductorresistance-typegassensors

5.2.2

体电阻型气体传感器Bodyresistance-typegassensors

5.2.1

表面电阻型气体传感器Thesurfaceresistance-typegassensors

§5.2半导体电阻型气体传感器5.2.2体电阻型气体传

一、定义：半导体的表面电阻或电导率随吸附某气体浓度而变化的元件----有SnO2、ZnO、WO3等。N型半导体吸附气体后阻值变化图：5.2.1表面电阻型气体传感器一、定义：半导体的表面电阻或电导率随吸附某气体浓度而变化的

当气体分子的亲和能>半导体表面电子的逸出功时，如氧气、氧化氮气体会从表面夺取电子；对于N型半导体，表面多数载流子（电子）浓度会减少，电阻增加。

若气体分子…<半导体表面电子的逸出功时，如H2、CO、C2H5OH及各种碳氢化合物；对于N型表面，电子浓度增加，电阻减小。

因此，认为产生气敏性。二、阻值变化机理：当气体分子的亲和能>半导体表面电子的逸出功时，如氧气、氧5.2.1.1SnO2系气敏元件5.2.1.2ZnO系气敏元件5.2.1.3其他氧化物气敏元件5.2.1.1SnO2系气敏元件5.2.1.2Zn一、工作原理SnO2性能稳定，是一种N型半导体

当接触空气中O2和NO2时，吸附氧会束缚SnO2表面中的电子，使表面的电子减少，SnO2器件的电阻增加。再与被测气体（如H2、CO）接触时与吸附氧发生反应，将被氧束缚的电子释放出来，表面电导增加，使电阻减小。∴用于检测可燃的还原性气体如H2、CO。

5.2.1.1SnO2系气敏元件一、工作原理SnO2性能稳定，是一种N型半导体5.二、SnO2气敏元件1.烧结型SnO2气敏元件（l）直热式SnO2气敏元件----又称内热式器件工作温度约300℃，按照其加热方式可分为直热式与旁热式两种。二、SnO2气敏元件1.烧结型SnO2气敏元件（l）芯片----以SnO2为主成份的烧结体，中间埋设两根电极并兼作加热器的螺旋形铂-铱合金线(阻值约为2～5Ω)。见图a测量时电极3和4短接成一个电极，并与1组成测量电阻，如图（c），它与加热电路1,2间共用1端，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，最终会造成元件的失效，寿命短。气敏元件的构成包括：

芯片(敏感体和加热器)、基座、金属防爆网罩芯片----以SnO2为主成份的烧结体，中间埋设两根电极并兼（2）旁热式SnO2气敏元件

包括：薄壁陶瓷（含Al2O375%的75瓷管）、气体敏感层（厚度<100μm涂覆浆料层烧结）；金电极及铂-铱合金丝引出线；加热器（螺旋形高电阻金属丝（Ni-Cr）30～40Ω）。避免了测量与加热相互干扰，可靠性和使用寿命都较高。（2）旁热式SnO2气敏元件包括：薄壁陶瓷（含Al2O结构：由基片、加热器和气体敏感层三部分组成，如图。优点：①用丝网印刷浆料制备，机械强度、一致性都较好，②与厚膜混合IC工艺相容、与阻容元件制在同一基片上。2.厚膜型SnO2气敏元件厚膜型SnO2气敏元件结构厚膜气敏传感器特性结构：由基片、加热器和气体敏感层三部分组成，如图。优点：①用3.薄膜型SnO2气敏元件在绝缘基板上，蒸发一层SnO2薄膜，引出电极工作温度较低（约250℃），很大的比表面积，活性较高、气敏性好；结构图：3.薄膜型SnO2气敏元件在绝缘基板上，蒸发一层SnO2R0--在洁净空气中的阻值。对乙醇气体的灵敏度很高下图:不同温度的气体灵敏度，对乙醇在350～400℃时灵敏度高，对CO在250℃时灵敏度高。利用温度特性可对不同气体选择性检测。薄膜SnO2气敏器件的灵敏度特性图R0--在洁净空气中的阻值。薄膜SnO2气敏器件的灵敏度特性组成:加热电阻、电极、SnO2超微薄膜在100nm下；基片:N型硅，测量温度的PN结；SiO2绝缘层。优点：很高的表面活性，较低温度与气体发生化学吸附。功耗小、灵敏度高、且硅基片与IC兼容，且选择性好，响应恢复时间快。

超微粒SnO2薄膜气敏元件结构超微SnO2元件温度特性组成:加热电阻、电极、SnO2超微薄膜在100nm下；基片:原理：ZnO是N型半导体，吸附大气中的氧分子，氧会夺取电子使电阻值上升。若接触还原性气体，催化剂下与氧反应其电阻下降。

用铂催化剂时，对乙醇、丙烷、丁烷等灵敏度较高。用钯作催化剂时对氢、CO等灵敏度较高。

加入少量2%wt的三氧化二铬，使其稳定性改善。1．烧结型ZnO气敏元件5.2.1.2ZnO系气敏元件原理：ZnO是N型半导体，吸附大气中的氧分子，氧会夺取电子使氟代烃化合物的主要成分：二氟二氯甲烷（Cl2-C-F2）和二氟一氯甲烷（Cl-CH-F3）只有ZnO中添加由钒-铂-铝复合催化剂后对氟代烃气体灵敏度较高氟里昂ZnO气敏元件的相对灵敏度催化剂对灵敏度的影响氟代烃化合物的主要成分：二氟二氯甲烷（Cl2-C-F2）和二2.薄膜型ZnO气敏元件---是对乙醇、甲烷、CO、汽油（汽油主要是由C4~C10各族烃类组成，是混合物）等灵敏度较高的酒敏元件。对乙醇的灵敏度比对汽油的高出近一倍；再配合适当的辅助电路，可避免汽油对酒精的干扰。

结构示意图：2.薄膜型ZnO气敏元件---是对乙醇、甲烷、CO、汽油（3.多层式复合型ZnO气敏元件结构：绝缘基片、ZnO薄膜、催化剂层（铂铱合金片、RuO2）、电极。用铂铱合金片以促进对氧和乙醇的吸附；铂铱片+RuO2电极C；RuO2电极（A和B）促进乙醇的氧化；乙醇气氛中测量A与B间电阻，同时用A(或B)与C来测定元件与温度的关系。3.多层式复合型ZnO气敏元件结构：绝缘基片、ZnO薄膜一、WO3系气敏元件

石英衬底上Pt-Au电极+50nm～1μm的WO3+Pt电极----气敏元件。对H2、N3H4、NH3、H2S与碳氢化合物等很敏感。WO3元件随H2S浓度的变化有较宽的线性范围（0～100ppm）。5.2.1.3其他氧化物气敏元件一、WO3系气敏元件石英衬底上Pt-Au电极+50nmWO3元件对H2S有良好的选择性，对乙醇有较高的灵敏度。

三种元件对10ppmH2S气体的响应恢复特性：SnO2元件响应时间为32秒，恢复时间约80s；ZnO元件为24s，58s；WO3元件为2s和26s。WO3元件对H2S有良好的选择性，对乙醇有较高的灵敏度。三种5.2.2.1氧化铁系气敏元件5.2.2.2TiO2

、Nb2O5氧敏元件5.2.2.3其它氧敏元件5.2.2体电阻型气体传感器5.2.2.1氧化铁系气敏元件5.2.2.2TiO2一、尖晶石γ-Fe2O3气敏元件原理：

γ-Fe2O3是N型半导体若γ-Fe2O3体电阻吸附还原性气体，部分Fe3+获得电子被还原成Fe2+，电阻率变为很低。当吸附在元件上的还原性气体解吸后，Fe2+被空气中的氧所氧化成为Fe3+，电阻率提高。5.2.2.1氧化铁系气敏元件∴γ-Fe2O3只有在空气或氧中对还原性气体有气敏性一、尖晶石γ-Fe2O3气敏元件原理：γ-Fe2O3是N型γ-Fe2O3气敏元件工作温度较高400～420℃。由于铁是过渡金属，是很好的催化剂，对丙烷（C3H8）和异丁烷（i-C4H10）的灵敏度较高C3H8和i-C4H10正是液化石油气（LPG）的主要成份。因此，γ-Fe2O3气敏元件又称为“城市煤气传感器”。γ-Fe2O3气敏元件的响应特性γ-Fe2O3气敏元件工作温度较高400～420℃。γ-Fe二、刚玉α-Fe2O3气敏元件-–N型半导体材料1.灵敏度特性Rs是器件的电阻值，C是气体浓度，n是与不同气体有关的常数由图可见，除乙醇外对其它气体，元件电导率随着可燃气体浓度的增加而增加，电阻减小，近似关系为：Rs∝C-n

二、刚玉α-Fe2O3气敏元件-–N型半导体材料1.灵敏度α-Fe2O3气敏传感器的电阻随环境温度的上升而下降：α-Fe2O3气敏传感器的电阻随环境温度的上升而下降：一、原理：TiO2：金红石结构的N型半导体，添加铂催化剂。元件工作时环境中的氧先在铂上吸附形成原子态氧，再与TiO2发生化学吸附，300℃以上对氧有较好的响应特性。TiO2电阻随T升高而下降，与元件吸附氧后电阻率下降现象混淆，造成测量误差。温度补偿原理图用氧化钴-氧化镁二元系材料作温度补偿元件。5.2.2.3TiO2

、Nb2O5氧敏元件一、原理：TiO2：金红石结构的N型半导体，添加铂催化剂。温TiO2元件电阻率与环境中氧分压的关系：k为玻尔兹曼常数，EA为电导过程的活化能，T为绝对温度，n、Po2为均为材料常数，与材料种类、是否掺杂等因素有关

薄膜型Nb2O5氧敏元件：叉指电极（Pt电极）+氧化铝基片+溅射厚数千埃Nb2O5膜层，+基片背面上铂薄膜加热器因氧空位在较小Nb2O5中的扩散速度比TiO2中大，响应特性好；尺寸较小（1.5×1.5×0.2mm），灵敏度较高。薄膜型TiO2系氧敏元件响应速度比ZrO2陶瓷氧敏元件快TiO2元件电阻率与环境中氧分压的关系：k为玻尔兹二、TiO2氧敏元件灵敏度特性空气过剩率λ=空燃比（空气/燃料）与化学计量比的空燃比之比（理论燃烧时所需空气/燃料）λ=1，TiO2中氧化还原达到平衡态；λ>1氧量充足，<1氧量不足。氧敏元件没有催化剂的电阻随λ的增加比较缓慢。有Pt催化剂在λ=1附近电阻急剧增加。为控制空燃比常需检验λ值，要用有Pt等催化剂的氧敏元件。400℃时电阻（R）与