表9-1 半导体气敏元件的分类
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，附着在传感元件表面，往 往会使其性能变差。
因此，对气敏元件有下列要求：
能长期稳定工作，重复性好，响应 速度快，共存物质产生的影响小等。
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，而使电阻值增大。
氧化型气体吸附到 P 型半导体上时，则
当还原型气体吸附到 N 型半导体上，
载流子增多，使半导体电阻值下降。
图 9-1 表示了气体接触 N 型半导体
时所产生的器件阻值变化情况。
器件电阻 / k 响应时间约 1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
第9章 半导体传感器
9.1 气敏传感器
9.2 湿敏传感器
9.3 色敏传感器
9.4 半导体传感器的应用
9.1 气 敏 传 感 器 9.1.1 概述 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。
这些器件全部附有加热器。
加热器的作用: 将附着在敏感元件表面上的尘埃、 油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提 高器件的灵敏度和响应速度。 加热器的温度一般控制在200~400℃左右。
加热方式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。
1 SnO2 烧结体 1 2 3 4 Ir—Pd 合金丝 (加热器兼电极) (a )
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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 得知吸附气体的种类和浓度。
半导体气敏时间(响应时间)一般不 超过1min。
气敏传感器主要用于工业上的天然 气、煤气，石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒等有害气体的监测、预报和自
动控制。
9.1.2 半导体气敏传感器的机理 半导体气敏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，
0.5 3 3
(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 )
厚膜型器件
(c)
厚膜型器件将氧化物半导体材料与 硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶， 再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘 基片上，经烧结制成的。
元件机械强度高，离散度小，适合 大批量生产。
烧结型气敏器件
(a )
烧结型气敏器件以 SnO2 半导体材料 为基体，将铂电极和加热丝埋入 SnO2材
料中，
用加热、加压、温度为700~900℃的 制陶工艺烧结成形。
因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。
半导瓷内的晶粒直径为 1μm 左右， 晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气 体检测灵敏度则无很大的影响。 但由于烧结不充分，器件机械强度
体控制型半导体与气体的反应，使 半导体内部组成发生变化，而使电导率 变化。
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被测气体的。
3
1 3
2
4 (b )
2 4
直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
直热式器件是将加热丝、 测量丝直 接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的， 工作时加热丝通电，测量丝用于测 量器件阻值。
这类器件制造工艺简单、成本低、 功耗小，可以在高电压回路下使用，
但热容量小，易受环境气流的影响， 测量回路和加热回路间没有隔离而相互 影响。
按照构成气敏传感器的材料可分为 半导体和非半导体两大类。 使用最多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感率等物理性质发生变化。
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 体控制型。
表面控制型半导体表面吸附的气体 与半导体间发生电子接受， 结果使半导体的电导率等物理性质 发生变化， 但内部化学组成不变；
被吸附的分子首先在表面自由扩散， 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型气体。
N型材料有SnO2、ZnO、TiO等， P型材料有MoO2、CrO3等。
9.1.3 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 组成：敏感元件、加热器、外壳 分类：烧结型、薄膜型、厚膜型
电极 (铂丝 )
氧化 物半导 体
加热 器 玻璃 (尺寸 约 1 mm ，也有 全为 半导 体的 )
烧结型器件制作方法简单，器件寿命长； 不高，电极材料较贵重，电性能一致性
较差，因此应用受到一定限制。
半导 体
0.5 mm
电极 0.6 mm
m 3
m
绝缘 基片 加热 器 电极 3 mm
薄膜型器件
薄膜型器件采用蒸发或溅射工艺，
在石英基片上形成氧化物半导体薄 膜（其厚度小于 100nm ），制作方法简 单。 SnO2半导体薄膜的气敏特性最好， 但这种半导体薄膜为物理性附着， 因此器件间性能差异较大。