气敏传感器公开课

气敏传感器公开课第1页，共45页，2023年，2月20日，星期五提问：同学们都会知道哪些是有毒有害的气体呢？煤气、CO、甲烷、烟雾是的，这些气体当达到一定浓度的时候都会危机到我们的生命。2、那我们要如何预防有害气体对我们的生命安全造成的伤害呢？装个对这些有害气体敏感的报警器。这章要介绍的气敏传感器就是这种报警器电路里一个很重要的器件。接下来我们就开始介绍气敏传感器。第2页，共45页，2023年，2月20日，星期五

气敏传感器的作用相当于我们的鼻子，可“嗅”出空气中某种特定的气体，并判定气体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监测，以改善人们的生活水平，保障人们的生命。第3页，共45页，2023年，2月20日，星期五环境污染、火灾报警煤矿化工第4页，共45页，2023年，2月20日，星期五一、与气敏相关的基本概念

气体浓度的表示？

对环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种：1、质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，即mg/m32、体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即ppm

大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度（ppm）。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（mg/m3）表示，中国的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。第5页，共45页，2023年，2月20日，星期五什么是气敏传感器？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,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。

烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器第6页，共45页，2023年，2月20日，星期五气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器第7页，共45页，2023年，2月20日，星期五酒精测试仪呼气管第8页，共45页，2023年，2月20日，星期五家庭用液化气报警器第9页，共45页，2023年，2月20日，星期五一氧化碳传感器第10页，共45页，2023年，2月20日，星期五其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器第11页，共45页，2023年，2月20日，星期五二氧化碳浓度传感器

氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量第12页，共45页，2023年，2月20日，星期五汽车尾气分析第13页，共45页，2023年，2月20日，星期五有毒气体传感器的使用第14页，共45页，2023年，2月20日，星期五1、气敏传感器的性能要求：

对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感性能稳定，重复性好动态特性好，对检测信号响应迅速使用寿命长制造成本低，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，对气敏元件有下列要求：二、认识气敏传感器第15页，共45页，2023年，2月20日，星期五2、常见气敏传感器的分类

第16页，共45页，2023年，2月20日，星期五3、半导体气敏传感器的机理

半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的电导率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材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体；其中P型：如氧化钴、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。合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。第17页，共45页，2023年，2月20日，星期五表7-1半导体气敏元件的分类第18页，共45页，2023年，2月20日，星期五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值变化而制成的。半导体气敏材料吸附气体的能力很强。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，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，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吸附处（化学吸附）。第19页，共45页，2023年，2月20日，星期五当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，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为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、乙烷、煤气、天然气、氢气等。它们被称为还原型气体或电子供给性气体，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。第20页，共45页，2023年，2月20日，星期五当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将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N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。第21页，共45页，2023年，2月20日，星期五图9-1N型半导体吸附气体时器件阻值变化图

第22页，共45页，2023年，2月20日，星期五规则总结：氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加

第23页，共45页，2023年，2月20日，星期五4、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

图9-2气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

第24页，共45页，2023年，2月20日，星期五图9-2气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

第25页，共45页，2023年，2月20日，星期五

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9-3所示。图9-3直热式气敏器件的结构及符号(a)结构；(b)符号第26页，共45页，2023年，2月20日，星期五

旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示图9-4旁热式气敏器件的结构及符号(a)旁热式结构；(b)符号第27页，共45页，2023年，2月20日，星期五2.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MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS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，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。

第28页，共45页，2023年，2月20日，星期五(1)MOS二极管气敏器件MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图9-5(a)所示。图9-5MOS二极管结构和等效电路(a)结构；(b)等效电路；(c)C-U特性

第29页，共45页，2023年，2月20日，星期五(2)MOS场效应晶体管气敏器件钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构，参见图9-6。图9-6钯—MOS场效应晶体管的结构第30页，共45页，2023年，2月20日，星期五（1）气敏元件灵敏度特性烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件的阻值RC与空气中被测气体的浓度C成对数关系：logRC＝mlogC+n式中n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化，对于可燃性气体，。

在气敏材料SnO2中添加铂(Pt)或钯(Pd)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温度都将影响元件的选样性。5、气敏元件的基本特性

1.SnO2系第31页，共45页，2023年，2月20日，星期五（2）SnO2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，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

（3）SnO2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。

（4）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。

（5）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,信号处理电路简单。

第32页，共45页，2023年，2月20日，星期五影响

SnO2气敏效应的主要因素（1）SnO2结构组成对气敏效应的影响SnO2具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnO2，一般都是偏离化学计量比的，在SnO2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，SnO2中氧空位多，气敏效应明显。（2）SnO2中添加物对气敏效应的影响

实验证明，SnO2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。表7-3列出了具有不同添加物质的SnO2气敏元件的气敏效应。

（3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响实验证明，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。因此，利用元件这一特性可进行选择检测。

第33页，共45页，2023年，2月20日，星期五表7-3添加物对SnO2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

200～300

Pd,Pt过渡金属

CO，C3H8

200～300

PdCI2，SbCI3

CH4，C3H8,CO

200～300

Sb2O3,TiO2TIO3

250～300

V2O5，Cu

250～400

稀土类

酒精系可燃性气体

过渡金属

还原性气体

250～300

Sb2O3,Bi2O3

还原性气体

500～800

高岭土（陶土），Bi2O3WO

LPG，CO，城市煤气，酒精酒精，丙酮碳氢系还原性气体200～300第34页，共45页，2023年，2月20日，星期五（4）SnO2气敏元件易受环境温度和湿度的影响，上图给出了SnO2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，通常需要加温度补偿。第35页，共45页，2023年，2月20日，星期五

2．ZnO(氧化锌)系气敏元件ZnO系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度比SnO2系气敏元件约高100℃左右，因此不及SnO2系元件应用普遍。同样如此，要提高ZnO系元件对气体的选择性，也需要添加Pt和Pd等添加剂。例如．在ZnO中添加Pd，则对H2和CO呈现出较高的灵敏度；而对丁烷(C4H10)、丙烷(C4H8)、乙烷(C4H6)等烷烃类气体则灵敏度很低，如下图(a)所示。如果在ZnO中添加Pt，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H2和CO气体则灵敏度很低，如下图(b)所示。第36页，共45页，2023年，2月20日，星期五三、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。

第37页，共45页，2023年，2月20日，星期五(1)、电源电路

一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V)，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。(2)、辅助电路

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)，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漏报现象。第38页，共45页，2023年，2月20日，星期五(3)、检测工作电路

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。

~220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR第39页，共45页，2023年，2月20日，星期五案例1.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、矿山、家庭、娱乐场所等。家用燃气泄漏报警器第40页，共45页，2023年，2月20日，星期五

下图是一种最简单的家用气体报警器电路。气-电转换器件采用测试回路高电压的直热式气敏元件TGS109。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，这样流经回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。

设计报警时，应合理选择开始报警浓度，选低了，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