氣敏傳感器公開課

氣敏傳感器公開課第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五提問：同學們都會知道哪些是有毒有害的氣體呢？煤氣、CO、甲烷、煙霧是的，這些氣體當達到一定濃度的時候都會危機到我們的生命。2、那我們要如何預防有害氣體對我們的生命安全造成的傷害呢？裝個對這些有害氣體敏感的報警器。這章要介紹的氣敏傳感器就是這種報警器電路里一個很重要的器件。接下來我們就開始介紹氣敏傳感器。第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五

氣敏傳感器的作用相當于我們的鼻子，可“嗅”出空氣中某種特定的氣體，并判定氣體的濃度，從而實現(xiàn)對氣體成分的檢測和監(jiān)測，以改善人們的生活水平，保障人們的生命。第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五環(huán)境污染、火災報警煤礦化工第4頁，共45頁，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

大部分氣體檢測儀器測得的氣體濃度都是體積濃度（ppm）。而按中國規(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，中國的標準規(guī)范也都是采用質(zhì)量濃度單位（如：mg/m3）表示。第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五什么是氣敏傳感器？氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、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所有類別的氣體，因此，能實現(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體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體氣敏傳感器。

煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器第6頁，共45頁，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，共45頁，2023年，2月20日，星期五酒精測試儀呼氣管第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五家庭用液化氣報警器第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五一氧化碳傳感器第10頁，共45頁，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，共45頁，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

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

對被測氣體具有較高的靈敏度對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感性能穩(wěn)定，重復性好動態(tài)特性好，對檢測信號響應迅速使用壽命長制造成本低，使用與維護方便等氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測現(xiàn)場溫度、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，而且氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。因此，對氣敏元件有下列要求：二、認識氣敏傳感器第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五2、常見氣敏傳感器的分類

第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五3、半導體氣敏傳感器的機理

半導體式氣敏傳感器：利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體的電導率等物理性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測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。合成材料有時還滲入了催化劑,如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五表7-1半導體氣敏元件的分類第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五基本原理是利用氣體在半導體表面的氧化還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。半導體氣敏材料吸附氣體的能力很強。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，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（化學吸附）。第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負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，也就是在化學反應中能給出電子，化學價升高的氣體；多數(shù)屬于可燃性氣體。第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五當氧化型氣體吸附到N型半導體（SnO2,ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導體(CrO3)上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五圖9-1N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖

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

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

圖9-2氣敏半導體傳感器的器件結(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，共45頁，2023年，2月20日，星期五圖9-2氣敏半導體傳感器的器件結(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，共45頁，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)及符號如圖9-3所示。圖9-3直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五

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

非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應晶體管(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)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。

第28頁，共45頁，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程是在P型半導體硅片上，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，共45頁，2023年，2月20日，星期五(2)MOS場效應晶體管氣敏器件鈀-MOS場效應晶體管(Pd-MOSFET)的結(jié)構(gòu)，參見圖9-6。圖9-6鈀—MOS場效應晶體管的結(jié)構(gòu)第30頁，共45頁，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與空氣中被測氣體的濃度C成對數(shù)關(guān)系：logRC＝mlogC+n式中n與氣體檢測靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測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，共45頁，2023年，2月20日，星期五（2）SnO2材料的物理、化學穩(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、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強。

（3）SnO2氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短，可連續(xù)長時間使用。

（4）元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性較高，機械性能良好。

（5）對氣體檢測不需要復雜的處理設(shè)備?？蓪⒋龣z測氣體濃度可通直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?信號處理電路簡單。

第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五影響

SnO2氣敏效應的主要因素（1）SnO2結(jié)構(gòu)組成對氣敏效應的影響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計量比的，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，SnO2中氧空位多，氣敏效應明顯。（2）SnO2中添加物對氣敏效應的影響

實驗證明，SnO2中的添加物質(zhì)，對其氣敏效應有明顯影響。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。

（3）燒結(jié)溫度和加熱溫度對氣敏效應的影響實驗證明，制作元件的燒結(jié)溫度和元件工作時的加熱溫度，對其氣敏性能有明顯影響。因此，利用元件這一特性可進行選擇檢測。

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

添加物質(zhì)

檢測氣體

使用溫度（℃）

PdO,Pd

CO，C3H8酒精

200～300

Pd,Pt過渡金屬

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，丙酮碳氫系還原性氣體200～300第34頁，共45頁，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、濕度對其特性有影響，所以便用時，通常需要加溫度補償。第35頁，共45頁，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系元件應用普遍。同樣如此，要提高ZnO系元件對氣體的選擇性，也需要添加Pt和Pd等添加劑。例如．在ZnO中添加Pd，則對H2和CO呈現(xiàn)出較高的靈敏度；而對丁烷(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H2和CO氣體則靈敏度很低，如下圖(b)所示。第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五三、氣體傳感器的應用

氣敏傳感器應用較廣泛的是用于防災報警，如可制成液化石油氣、天燃氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報警器。也可用于對大氣污染進行監(jiān)測以及在醫(yī)療上用于對O2、CO2等氣體的測量。生活中則可用于空調(diào)機、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。

第37頁，共45頁，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，將導致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點漂移，影響檢測準確性。(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、制作應用電路時，應予以考慮。如采用溫度補償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導致漏報現(xiàn)象。第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五(3)、檢測工作電路

這是氣敏元件應用電路的主體部分。下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應用電路。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，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。

~220VBZ氖管家用可燃性氣體報警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五案例1.燃氣報警器各類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警都可以用相應的氣敏傳感器及其相關(guān)電路來實現(xiàn)，如氣體成分檢測儀、氣體報警器、空氣凈化器等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂場所等。家用燃氣泄漏報警器第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五

下圖是一種最簡單的家用氣體報警器電路。氣-電轉(zhuǎn)換器件采用測試回路高電壓的直熱式氣敏元件TGS109。當室內(nèi)可燃性氣體增加時，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)動蜂鳴器報警。

設(shè)計報警時，應合理選擇開始報警濃度，選低了，靈敏度高，容易產(chǎn)生誤報；選高了，又容易造成漏報，起不到報警效果