N型半导体吸附气体时的器件电阻变化。
• 通电后，元件被加热，阻值迅速下降，一般经 2～10min后，阻值达稳定状态，这一状态称为初 始稳定状态。到达初始稳定状态时间的长短与环 境条件有关。必须指出，使用元件时必须预热， 待元件达到初始稳定状态时，才能开始测量。
• 当被测气体与加热的气敏电阻接触时，首先气体 分子在其表面扩散，然后被气敏电阻吸附。加热 电极的作用是提高气敏电阻的吸附能力。气敏电 阻对被测气体的吸附作用有两种形式，一是以阴 离子形式被吸附；二是以阳离子形式被吸附。
--主要用于可燃性气体的检 测
可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧 接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触 燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高， 电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃 性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性 气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体 的浓度有关。
• 图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性 气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引 起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA 的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反 应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体 接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得 检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平 衡，在A、B间产生电位差E。
MOS二极管气敏器件的C—U特性
•
其漏极电流ID有栅压控制，将栅
极和漏极短路，在源极和漏极之间加
电压，ID的计算式为ID=β（UG-UT）2， 始终UT为ID流过时最小临界电压值。
• 在测量中，UT会随空气中所含H2浓度 的增高而降低。
S
Pd栅
D
Al
Si O2
N＋
N＋
P—Si
5 接触燃烧式气敏传感器
民 用
乙醇
厨
房
集 油气 体
住
宅
群 可燃气
工厂
各种 气体
研究所
各种 气体
农林
H2O C O2 O 2
某些机关
CO H2O
安全 民用
工农业
气敏 元件
防灾
环保 医用
大
NO X
气
SO X
污
CO
染
锅
H2S
炉
HCN 及
引
O2 CO CO 2
擎 医
院
LP 有害气
工业
CO 农业
CO 可燃气
船舶
CO 有机气
地铁等
2 气敏传感器的分类
电 阻(KΩ )
1000-
-
500 200100-
空气 CH 4
H2
i-CH
CC23HH58OH 4H10
-
50 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0
气体浓度(%Vol)
4 非电阻型气敏传感器
非电阻型气敏传感器目前主要有二 极管、场效应管及电容型集中。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。
由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸 附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓 度发生变化，其阻值也体的种类和浓度。
R ( K Ω)
100 -
加热
响应时间 < 60s
稳
氧化性气 体吸附
定
50 -
5-
10s 2min 4min 大气中
还原性气 体吸附 气体吸附
E

E0

RF1 RF RF1 RF2 RF


R1
R1 R2

因为ΔRF很小，且RF1•R1=RF2•R2
E

E0

R1 R2
R1 RF1
RF2

RF2 RF1


RF
化反应热)成比例的。即ΔRF可用下式表示
RF

T


H C

mQ
C
ρ—检测元件的电阻温度系数；
ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；
ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量； C—检测元件的热容量；
Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]；
α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
气敏传感器
及信号调理电路
一．概述 二．分类 三．电阻型传感器 四．非电阻型传感器 五．接触燃烧式气敏传感器 六．气敏传感器的应用
一
概述
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分 的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转 换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待 测气体在环境中存在情况有关的信息。
3.2体电阻控制型传感器
• 体电阻控制型气敏元件，受到外界氧 分压强，或还原性气体的还原作用， 致使晶体中的结构缺陷发生变化，随 之体电阻发生变化。这种变化是可逆 的，当待测气体脱离后气敏元件又恢 复原状。
氧化铁系气敏元件 γ-Fe2O3气敏元件
• 当它与气体接触时，随着气体浓度的增加形 成 阻F下e降2+离。子当，被而测变气成体F脱e离3O后4，，使它器又件被的氧体化电， 即恢复原状态。
MOS结构的钯-MOS二极 管敏感原件，总电容C是栅 极偏压U的函数，其函数关 系称为MOS管的电容—电 压特性利用其C-U特性明显 地有变化。
MOS二极管气敏器件 结构和等效电路
当传感器工作时，由于钯 在吸附H2后，会使钯的功 函数降低，从而引起MOS 管的C—U特性向负偏压方 向平移，如图所示，由此 可测定H2浓度。
E0
如果令 k E0 R1
R1 R2
RF1 RF2
则有
E

k

RF2 RF1
RF
这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近 于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与ΔRF成 比例。在此，ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温 度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧
气体与人类的日常生活密切相关：如在用气体、
煤炭作为燃料的场合，由于燃烧不完全，会产生大 量有毒一氧化碳气体，如果室内通风不良或排气不 畅就会使人中毒；在煤矿井下，甲烷等可燃性气体 超标易产生瓦斯爆炸；司机饮酒过度易造成交通事 故等。说以气体检测在改善和保护人类的生活环境 具有重要意义。
气敏传感器的主要应用领域
从构成材料可将 气敏传感器归为两类类： 半导体、非半导体
•
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。
• 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用 是在其表面，还是内部，可划分为表面控制型和体 控制型两类；
• 按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型 和非电阻型两种。
类别
电 阻 型
类型
原件结构
表面控制型 体控制性
SnO2、ZnO等 的烧结体、薄 膜、厚膜
氧化钛、氧化镁、 SnO2
检测对象 可燃性气体
酒精、可燃性气 体、氧气
非
铂-硫化镉、铂
电
-氧化钛
阻
表面控制型
型
铂栅、钯栅
氢气、一氧化 碳、酒精
氢气、硫化 氢
3 电阻型传感器
3.1表面电阻控制型传感器
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化。 图为烧结体N型半导瓷的模型，导电通路的等效电路如图所示。 Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs为晶体的等效表 面电阻。Rb的阻值较低，不受吸附气体影响。Rn、Rs受吸附气体 控制， Rn远大于Rb ，Rs远大于Rb，所以Rs被短路，因而只等效成Rn串联 的电路。半导陶瓷气敏电阻的阻值随气体的数量和种类而改变。