3章1气敏传感器

第三章3.1气敏电阻传感器气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。

一、还原性气体传感器

所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

2/3/20231图2-24

MQN型气敏电阻结构及测量电路功能：可用于可燃性气体的检测、检漏适用范围：

可燃性气体和可燃性液体蒸汽（天然气、液化石油气、煤气、一氧化碳、烷烃、烯烃、醇类、汽油、煤气）及烟雾。2/3/20232a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路

1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源

MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。

2/3/20233气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器2/3/20234酒精测试仪呼气管2/3/20235酒精传感器的选择性2/3/20236

气敏半导体的灵敏度特性曲线观察右图，看一下能否说明非线性特性对浓度超限报警是否有利？2/3/20237家庭用煤气报警器2/3/20238家庭用液化气报警器2/3/20239一氧化碳传感器2/3/202310其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器2/3/202311二、二氧化钛氧浓度传感器图3-26

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路

a）结构b）测量转换电路

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

2/3/202312二、二氧化钛氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

图3-26是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。

在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt

起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。

2/3/202313图3-26

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路

1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管5—补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚

2/3/202314氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量2/3/202315汽车尾气分析2/3/202316有毒气体传感器的使用甲醛传感器CH2O/S-10:测量范围:0-10ppm(百万分之一)

最大负荷:50ppm工作寿命:空气中3年伊拉克战争中美国士兵就配备了一个可探测有毒气体的传感器(工作时间仅为20多秒)2/3/2023173.2湿敏电阻传感器

绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。

湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。

2/3/202318湿度传感器的分类

2/3/202319水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害

2/3/202320湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。2/3/202321露点

降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。

测量露点的仪器2/3/202322露点传感器外形

2/3/202323电子湿度计模块封装后的外形2/3/202324电子式温湿度计2/3/202325机械式、电子式温湿度计对比2/3/202326陶瓷湿度传感器特性曲线

在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲线中，纵坐标的标度有何特点？其电阻率变化约有多少个数量级？2/3/202327电子相对湿度仪表的标定仪器

干湿球湿度计外形及原理干球湿球2/3/202328

用干湿球湿度计测量相对湿度

上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计2/3/2023293.3气敏电阻

在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。2/3/2023303.3.1气敏电阻的工作原理及其特性气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，2/3/202331可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。

N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。2/3/202332当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；另一种是旁热式，这种气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。2/3/202333以SnO2气敏元件为例，它是由0.1--10的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。气敏电阻的温度特性如图2.4.1所示，图中纵坐标为灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。由曲线可以看出，SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。

此外，在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。

2/3/2023343.3.2常用的气敏电阻

气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面较广。3.3.2.1氧化锌系气敏电阻

ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。这种气敏元件的结构特点是：在圆形基板2/3/202335上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。3.3.2.2氧化铁系气敏电阻

当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用，其电阻串迅速降低。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。

3.3.2.3型号命名方式气敏电阻器的型号命名由三部分组成。第一部分用字母表示主称。第二部分用字母表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号。具体表示略。2/3/2023363.3.3气敏电阻的应用

气敏电阻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O2、CO2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。气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。下面是两类典型气敏电阻的基本情况：3.3.3.1MQ-N5型气敏元件1)原理

QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。2/3/2023372)特点

用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）；灵敏度高；响应速度快；输出信号大；寿命长，工作稳定可靠。

3)性能指标具体指标略3.3.3.2QM-J3型半导体气敏元件1)工作原理

QM-J3型半导体气敏元件是以金属氧化物ZnSnO3为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。

2)特点

用于乙醇、酒精等有机液体蒸气的检测；对汽油蒸汽有抗干扰能力；灵敏度高；响应速度快；寿命长，工作稳定可靠。

3)技术指标

具体指标略：2/3/2023383.4气、湿敏传感器应用举例

气敏传感器（特别是半导体气敏传感器）随着性能的不断提高，应用越来越广，其中最主要的是防止突发事故，提高生活环境质量，保障生产过程条件的一致性，以及环境保护等。在防止突发事件中，对报警器件有极大的需求，它们被设计用于对由于有害或易燃气体泄漏造成的中毒、昏迷或火灾及时提出警报。为改善居住生活条件，需要应用传感器来检测那些使用空调机和鼓风机的房间、办公室、出租汽车和其它空间中的空气污染情况。除此之外，气敏传感器还用于控制炉具和其它器械中的食品烹调过程。为保护环境免受有害挥发物的污染，同时为了节约能源，使用气敏传感器监控汽车发动机、蒸汽锅炉等中的燃烧过程。在各种工业和林业领域，用于生产过程的监控，以及分析参与生产过程的各种气体成分，或分析由生产过程产生的气体成分。2/3/2023392/3/202340无论哪种应用，气敏传感器总是作气－电转换器件，从气敏元件获取信号的方法：1.利用吸附平衡状态稳定值取出信号气敏元件接触待测气体后，气敏元件电阻将随气体种类和浓度不同而变化，最后达到平衡，元件阻值达到稳定，利用这一特性，设计相应电路来获取信号是最常用的方法。2.利用吸附平衡速度取出信号气敏元件表面对气体的吸附平衡速度因气体种类不同而有差异，因此可以利用它们在不同时刻的不同阻值这一特点，设计在不同时刻检测相应气体的电路。3.利用吸附平衡值与温度的依存性取出信号气敏元件表面对气体的吸附与工作温度有紧密的依存性，每种气体有一个特定的依存关系。利用该特性，可设计气敏元件在不同工作温度下，取出信号的应用电路。这种方法常用于混合气体对某种气体的选择检测。2/3/202341此图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的场所。一、自动去湿器

Rs为加热电阻丝，将其埋入挡风玻璃内。H为结露湿敏元件，晶体管BGl，BG2为施密特触发电路，BG2的集电极负载为继电器J的线圈绕组