气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和
测量氧气浓度的两大类。
表二给出了半导体气敏传感器的应用举例。
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1.气 敏 传 感 器
表二 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
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1.气 敏 传 感 器
一、还原性气体传感器
所谓还原性气体就是在化学反应中能给出 电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属 于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲 烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，
通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。金属氧化物
半导体分为：N型半导体，如氧化锡，氧化铁，氧化
锌，氧化钨等；P型半导体，如氧化钴，氧化铅，氧 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
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1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化 石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO）、 天然气（主要是甲烷）。
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1.气 敏 传 感 器
图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。空 气中气体含量恒定，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。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等。
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1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
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1.气 敏 传 感 器
二、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。
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1.气 敏 传 感 器
当半导体材料的分子相对于吸附分子来说 易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变
测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、 ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、 激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的 半导体器件。
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1.气 敏 传 感 器
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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1.气 敏 传 感 器
家庭用煤气报警器
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1.气 敏 传 感 器
其他气体传感器
成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。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。如果半导体材料的分子
相对于吸附分子来说易于得到电子，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。 10
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2.湿 敏 传 感 器
二、氯化锂湿敏电阻 是利用吸湿性盐类 潮解，离子导电率发生 变化而制成的测湿元件。 由引线、基片、感湿层 与电极组成，如图6所示。 氯化锂通常与聚乙烯醇 组 成 混 合 体， 在 氯 化 锂 溶 液 中 ， Li 和 Cl均 以 正 负 离 子 的 形 式 存 在， 而 Li＋对水分子的吸引力强， 其溶液中的离子导电能 力与浓度成正比。
图2 (c) 厚 膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、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。制造工艺简单、成 本低、功耗小，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。
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休息一下
班主任张老师怒气冲冲的走进教室厉声说：你 们叫我语文张，我忍了。但新来的政治老师范 老师，你们为什么叫她政治犯呢？
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2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 二、氯化锂湿敏电阻 三、半导体陶瓷湿敏电阻 四、湿敏电阻传感器的应用
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2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地 面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太 大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活 中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿 度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现 象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的 湿度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育 苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行 34 检测和控制。
2.湿 敏 传 感 器
三、半导体陶瓷湿敏电阻 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料 混合烧结而成为多孔陶瓷。如ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场， 当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表 面俘获电子，如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则水 分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和 空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电 39 阻下降。
料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一
定限制。
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1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。 它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（其厚度约在 100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法 简单。实验证明，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 图2 气敏半导体传感器的器件结构 (b) 薄膜型器件 差异较大。
甲烷传感器
NH3传感器
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1.气 敏 传 感 器
二、氧浓度传感器 氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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1.气 敏 传 感 器
汽车尾气分析
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1.气 敏 传 感 器
三、自动空气净化装置 当室内空气污浊，烟雾或者其他污染气体使气 敏元件阻值下降，电路导通，接通风扇，排放污浊 气体，或者使用燃烧装置烧掉，换进新鲜空气。 当室内污 浊气体浓度下降 到希望的数值时， 气敏元件阻值上 升，电路断开， 加热器和风扇停 止工作。
1.气 敏 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。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
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， 附着在元件表面，往往会使其性能变差。
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2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳 一定限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和 压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空 气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱 和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的 最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如， 同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中 午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥； 如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3， 但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和 状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。
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1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，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。
C SiO 2 Ca P—Si Cs O (a) (b) (c)
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a b
图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
V
1.气 敏 传 感 器
四、气敏传感器应用
半导体气敏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，得到了广泛的应用。按其用途可分为 以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自 动测试等。
第八章 半导体式传感器
1. 气敏传感器 2. 湿敏传感器 3.色敏传感器
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1.气 敏 传 感 器
一、概述
二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
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1.气 敏 传 感 器
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。由于气体种类繁多, 性质各不
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
1.气 敏 传 感 器
三、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
按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
图6 湿敏电阻结构示意图
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2.湿 敏 传 感 器
当溶液置于一定温湿 场中，若环境相对湿度高， 溶液将吸收水分，使浓度 降低，因此，溶液电阻率 增高。反之，环境相对湿 度变低时，溶液浓度升高， 其电阻率下降，从而实现 对湿度的测量。氯化锂湿 敏元件的电阻—湿度特性 曲线如图7所示。
图7 氯化锂湿度—电阻特性 曲线 38
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1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以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 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材
半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；