B R ~220V 气敏传感器 BZ 蜂鸣器
氖管
家用可燃性气体报警器电路
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（3）气敏元件的分辨率 表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制 能力。气敏元件分辨率S表示为
S
Vg Vgi

Vg Va Vgi Va
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压 Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压
14.2 半导体气体传感器。
半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接 触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导 体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控
制型。
表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生 但内部化学组成不变； 体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成
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（7）初期稳定时间
长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水 分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着 元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作 状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。
一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然 后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定 所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间 和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一 般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值 。
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（2）气敏元件的灵敏度 表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体 敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓 度之间的依从关系。表示方法有三种 （a）电阻比灵敏度K
K Ra Rg
Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值

RC1 RC 2
电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，
发生变化，而使电导率变化。
14.2 半导体气体传感器。
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非
电阻型。
电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，
其阻值变化来检测气体的成分或浓度；
非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极
管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测
电极 (铂丝 ) 氧化 物半导 体 半导 体 0.5 mm 电极 0.6 mm
3m
m
绝缘 基片 加热 器 玻璃 (尺寸 约 1 mm ，也有 全为 半导 体的 ) 加热 器 电极 3 mm
(a )
图14-2 半导体气体传感器的敏感元件 (a) 烧结型元件； (b) 薄膜型元件
(b )
0.5 3 3
非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。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。
O
(a) (b) (c)
V
图 14-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
14.3 半导体气敏元件的特性参数
（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏 元件 ( 电阻型 ) 的固有电阻值，表示为 Ｒ ａ 。一般其固有电阻值在 (103～105)Ω 范围。 测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于 经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大， 即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行 测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气 环境中进行测量。
(单位 : mm)
氧化 物半导 体 Pt电极 氧化 铝基片
7 器件 加热用 的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型元件
烧结型SnO2气敏元件
其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μ m)的SnO2粉体为基本 材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用 于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式 ，分为直接加热式和旁热式两种。
（b）气体分离度
RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值： RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。 （c）输出电压比灵敏度KV Va
KV Vg
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
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被测气体的。
14.2.1 半导体气体传感器的机理 半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应 导致敏感元件阻值变化而制成的。 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）。 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力 (气体的吸附和渗 透特性)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。例如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H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型 气体或电子供给性气体。
（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
加热极兼电极 SnO2烧结体 3 4 1 2 1 2
3 4
(a)结构
(b)符号
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直接加热式气敏器件结构及符号
由芯片(敏感体和加热器)，基 座和金属防爆网罩三部分组成 。 因其热容量小、稳定性差，测 量电路与加热电路间易相互干 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，造成元件的失效，现已 很少使用。
第14章气体传感器
14 气 体 传 感 器
14.1 概述
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量
输出的装置或器件。
气体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，按构成气体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体传感器。
当氧化型气体吸附到 N型半导体上，还原型气体吸附到P型半 导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。
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。 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 也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极 1
6
4
2 5 SnO2烧结体 瓷绝缘管 （b）符号 （a）结构 旁一 般为30Ω～40Ω
Ø18.4
100目不锈钢网 45° 23 45° 7 3 2 1 4 5 6 7
Ø1
气敏元件外形和引出线分布
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2. 非电阻型半导体气体传感器
(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 14-5(a)所示。
M(Pd)
C
SiO2 Ca P—Si Cs 氢气中 空气中
（4）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气 敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的 阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的 63％时为止，所需时间称为 气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。
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（5）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200℃以上高温。 为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻 (指加热器 的电阻值 ) 称为加热电阻，用 RH 表示。直热式的加热电阻值一 般小于5Ω ；旁热式的加热电阻大于20Ω 。 气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率， 用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。 （6）气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气 敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中 阻值的63％时所需时间。
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14.3 气体传感器应用 半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时 间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：
检测
报警 监控
烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器
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。
种类和浓度。
N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
器件电阻 / k 响应时间约 1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
14.2.2半导体气体传感器类型及结构 1. 电阻型半导体气体传感器 SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应 用最广泛性。