各类气体传感器介绍一、引言广义的说，传感器（Transducer或Sensor）是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件或装置，在有些国家或科学领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器等。

将物理量或化学量得变化转变成电信号是传感器的最终目的。

国际电工委员会（IEC：International Electrotechnical Committee）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

国家标准GB 7765—87给传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

此处的可用输出信号，一般即指易于处理和传输的电信号。

从这个角度也可以说传感器即为将非电信号转换成电信号的器件。

当然，可以预料，将来的“可用信号201D或许是光信息或者是更先进、更实用的其他信息。

本文主要介绍气体传感器的工作原理及应用场合，并对气体传感器的发展方向进行一些介绍。

二、工作原理传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。

了解这些定律和法则，有助于我们对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。

传感器工作物理基础的基本定律和法则有以下四种类型：（1）守恒定律。

包括能量、动量、电荷量等守恒定律。

这些定律，是我们探索、研制新型传感器时，或在分析、综合现有传感器时，都必须严格遵守的基本法则。

（2）场的定律。

包括运动长的运动定律，电磁场的感应定律等，气相互作用与物体在空间的位置及分布状态有关。

一半可由物理方程给出，这些方程可做诶许多传感器工作的数学模型。

例如：利用静电场定律研制的电容式传感器；利用电磁感性定律研制的自感、互感、电涡流式传感器；利用运动定律与电池感应定律研制的磁电式传感器等。

利用场的定律构成的传感器，其形状、尺寸（结构）决定了传感器的量程、灵敏度等主要性能，故此类传感器可统称为“结构型传感器”。

（3）物质定律。

它是表示各种物质本身内在性质的定律（如胡克定律、欧姆定律等），通常以这种物质所固有的物理常数加以描述。

因此，这些常数的大小决定着传感器的主要性能。

如：利用半导体物质法则—压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；利用压电晶体物质法则—压电效应，可制成压电、声表面波、超声波传感器等等。

这种基于物质定律的传感器，可统称为“物性型传感器”。

这是当代传感器技术领域中具有广阔发展前景的传感器。

（4）统计法则。

它是把围观系统与宏观系统联系起来的物理法则。

这些法则，常常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。

这方面的研究尚待进一步深入。

气体传感器（Gas Sensor）是以气敏器件为核心组成的能把气体成分转换成电信号的装置。

它具有响应快，定量分析方便，成本低廉，实用性广等优点，应用越来越广。

气体种类繁多，性质各异，因此，气体传感器种类也很多。

按待检气体性质可分为：用于检测易燃易爆气体的传感器，如氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等；用于检测有毒气体的传感器，如氯气、硫化氢、砷烷等；用于检测工业过程气体的传感器，如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳；用于检测大气污染的传感器，如形成酸雨的NO x、CH4、O3，家庭污染如甲醛等。

按气体传感器的结构还可分为干式和湿式两类；按传感器的输出可分为电阻式和费电阻式两类；按检测院里可分为电化学法、电气法、光学法、化学法几类，如图：对气体传感器的基本性能要求是：1.选择性，能按要求检测出气体的浓度，不受其他气体或物质的干扰；2.重复性，可以重复多次使用，有较长的使用寿命和稳定性；3.实时性，即动态特性要好等。

下介绍几种较为常见的气体传感器件。

1.半导体气敏器件半导体气敏器件可分为电阻型和非电阻型(结型、MOSFET型、电容型)。

电阻型气敏器件的原理是气体分子引起敏感材料电阻的变化；非电阻型气敏器件主要有M()s二极管和结型二极管以及场效应管(M()SFET)，它利用了敏感气体会改变MOSFET开启电压的原理，其原理结构与ISFET离子敏传感器件相同。

电阻型半导体气敏器件1．作用原理人们已经发现SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在气敏效应。

用这些金属氧化物制成的气敏薄膜是一种阻抗器件，气体分子和敏感膜之间能交换离子，发生还原反应，引起敏感膜电阻的变化。

作为传感器还要求这种反应必须是可逆的，即为了消除气体分子还必须发生一次氧化反应。

传感器内的加热器有助于氧化反应进程。

SnO2薄膜气敏器件因具有良好的稳定性、能在较低的温度下工作、检验气体种类多、工艺成熟等优点，是目前的主流产品。

此外，Fe2O3也是目前广泛应用和研究的材料。

除了传统的SnO、SnO2和Fe2O3三大类外，目前又研究开发了一批新型材料，包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。

这些新型材料的研究和开发，大大提高了气体传感器的特性和应用范围。

选择性是气体传感器的关键性能。

如SnO2薄膜对多种气体都敏感，如何提高SnO2气敏器件的选择性和灵敏度一直是研究的重点。

主要措施有：在基体材料中加入不同的贵金属或金属氧化物催化剂，设置合适的工作温度，利用过滤设备或透气膜外过滤敏感气体。

在SnO2材料内掺杂是改善传感器选择性的主要方法，添加Pt、Pd、Ir等贵金属不仅能有效地提高元件的灵敏度和响应时间，而且，催化剂不同，导致不同的吸附倾向，从而改善选择性。

例如在SnO2气敏材料中掺杂贵金属Pt、Pd、Au可以提高对CH4的灵敏度，掺杂Ir可降低对CH4的灵敏度，掺杂Pt、Au提高对H2的灵敏度，掺杂Pd降低对H2的灵敏度。

工作温度对传感器的灵敏度有影响。

下图左图为SnO2气敏器件对各种气体温度的电阻特性曲线。

由图可见，器件在不同温度下对各种气体的灵敏度不同，利用这一特性可以识别气体种类。

制备工艺对SnO2的气敏特性也有很大的影响。

如在SnO2中添加ThO2，改变烧结温度和加热温度就可以产生不同的气敏效应。

按质量计算，在SnO2中加入3～5％的ThO2，5％的Sm2．在600℃的H2气氛中烧结，制成厚膜器件，工作温度为400℃。

则可作为CO检测器件。

上图右图是烧结温度为600℃时气敏器件的特性。

可看出，工作温度在170～200℃范围内，对H2的灵敏度曲线呈抛物线，而对CO改变工作温度则影响不大，因此，利用器件这一特性可以检测H2。

而烧结温度为400℃制成的器件，工作温度为200℃时，对H2、CO的灵敏度曲线形状都近似呈直线，但对CO的灵敏度要高得多，可以制成对CO敏感的气体传感器。

2．结构及参数SnO2电阻型气敏器件通常采用烧结工艺。

以多孔SnO2陶瓷为基底材料，再添加不同的其他物质，用制陶工艺烧结而成，烧结时埋入加热电阻丝和测量电极。

此外，也有用蒸发和溅射等工艺制成的薄膜器件和多层膜器件，这类器件灵敏度高，动态特性好。

还有采用丝网印刷工艺制成的厚膜器件和混合膜器件，这类器件具有集成度高，组装容易，使用方便，便于批量生产的优点。

下图是电阻型气体传感器的一种典型结构，它主要南SnO2敏感元件、加热器、电极引线、底座及不锈钢网罩组成。

这种传感器结构简单，使用方便，可以检测还原性气体、可燃性气体、蒸气等。

电阻型气体传感器的主要特性参数有：(1)固有电阻R0和工作电阻Rs 固有电阻Ro又称正常电阻，表示气体传感器在正常空气条件下的阻值。

工作电阻Rs表示气体传感器在一定浓度被测气体中的阻值。

(2)灵敏度S 通常用S=Rs／R0表示，有时也用两种不同浓度C1、C2)检测气体中元件阻值之比来表示：S=Rs(C2)／R0(C1)。

(3)响应时间T1反映传感器的动态特性，定义为传感器阻值从接触一定浓度的气体起到该浓度下的稳定值所需时间。

也常用达到该浓度下电阻值变化率的63％时的时问来表示。

(4)恢复时问T2又称脱附时间。

反映传感器的动态特性，定义为传感器从脱离检测气体起，直到传感器电阻值恢复至正常空气条件下的阻值，这段时间称为恢复时间。

(5)加热电阻R H和加热功率P H R H为传感器提供工作温度的电热丝阻值，P H为保持正常工作温度所需要的加热功率。

电阻型气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。

不足之处是必须工作于高温下，对气体的选择性较差，元件参数分散，稳定性不够理想，功率要求高，当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。

2.非电阻型气敏器件非电阻型也是一类较为常见的半导体气敏器件，这类器件使用方便，无需设置工作温度，易于集成化，得到了广泛应用。

主要有结型和MOSFET型两种。

1．结型气敏器件结型气敏传感器件又称气敏二极管，这类气敏器件是利用气体改变二极管的整流特性来工作的。

其结构如下图左图所示。

它的原理是：贵金属Pd对氢气具有选择性，它与半导体接触形成接触势垒。

当二极管加正向偏压时，从半导体流向金属的电子将增加，因此正向是导通的。

当加负向偏压时，载流子基本没有变化，这是肖特基二极管的整流特性。

在检测气氛中，由于对氢气的吸附作用，贵金属的功函数改变，接触势垒减弱．导致载流子增多，正向电流增加，二极管的整流特性曲线会发生左移。

下图右图为Pd—TiO2气敏二极管在不同浓度H2的空气中的特性曲线。

因此，通过测量二极管的正向电流可以检测氢气浓度。

2．MOSFET型气敏器件气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值电压U T改变。

利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。

氢气敏MOSFET是一种最典型的气敏器件，它用金属钯(Pd)制成钯栅。

在含有氢气的气氛中，由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致MOSFET的阈值电压U T发生变化。

使用时常将栅漏短接，可以保证MOSFET工作在饱和区，此时的漏极电流I D=β(U GS—U T)2，利用这一电路可以测出氢气的浓度。

氢气敏MOSFET的特点有：(1)灵敏度当氢气浓度较低时，氢气敏MOSFET灵敏度很高，1ppm氢气浓度变化，△U T的值可达到10mV，当氢气浓度较高时，传感器的灵敏度会降低。

(2)对气体选择性钯原子间的“空隙”恰好能让氢原子通过，因此，钯栅只允许氢气通过，有很好的选择性。

(3)响应时间这种器件的响应时间受温度、氢气浓度的影响，一般温度越高，氢气浓度越高，响应越快，常温下的响应时间为几十秒。

(4)稳定性实际应用中，存在U T随时间漂移的特性，为此，采用在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层，可以显著改善U T的漂移。