5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.2 SnO2气敏器件类型
沈 阳 工 业 大 学
(a) 烧结型气敏器件； (a) 烧结型SnO2气敏器件 直热式气敏器件:
(b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
直热式和旁热式
优点:工艺简单，成本低； 缺点: 热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路互相影响。
MO晶体中的缺陷
4.金属氧化物的半导体化 沈 阳 工 业 大 学
Vo → Vo+ + e
− Vm → Vm + h
电离能E1
V o+ → Vo2+ + e
电离能E2
氧空位起施主作用
2 V m− → Vm − + h
电离能E3
电离能E4
金属空位起受主作用
4.金属氧化物的半导体化 金属氧化物的半导体化
Zn过剩的半导体，在催化剂的作用下， 过剩的半导体，在催化剂的作用下， 过剩的半导体 吸附氧阻值增加，接触还原性气体， 吸附氧阻值增加，接触还原性气体，电阻值 下降。 下降。
5.表面电阻控制型气体敏感元件 表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工 业 大
排气扇 空气调节器 试验箱 蒸发器 风 扇
5.10气体传感器的综合测试装置 气体传感器的综合测试装置
酒精检测 汽车尾气分析
一氧化碳传感器 可燃性气体传感器外形
2.气敏传感器的分类
表面控制型
沈 阳 工 业 大
固体电解质式
电阻型 容积控制型 半导体式 表面电位 气 敏 传 感 器 非电阻型 整流特性 阈值电压 浓差电极
学
合成电位
恒电位电解池
电化学式 氧电极 接触燃烧式 燃烧热
2.气敏传感器的分类 沈 阳 工 业 大 学
5.表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工
白色粉末，不溶于水，能溶于热强酸和碱。
5.1材料
主要有：SnO2和ZnO
SnO2的基本性质
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SnO2晶体结构
属于四方晶系，具有金红石型结 构；经实验发现，多晶SnO2对多种气 体具有气敏特性；多孔型SnO2半导体 材料，其电导率随接触的气体种类变 化。
6.1 γ-Fe2O3气敏机理
为代表，与气体接触后，材料的晶体结构发生变化，使电阻变化。 以Fe2O3和TiO2为代表，与气体接触后，材料的晶体结构发生变化，使电阻变化。 γ-Fe2O3是N型半导体（尖晶石），在高温下吸附还原性气体后，其电阻率下降。 型半导体（ ），在高温下吸附还原性气体后 型半导体 尖晶石），在高温下吸附还原性气体后，其电阻率下降。
5.4 SnO2气体敏感元件特性参数
A元件电阻R0和Rs
例如：
2000ppm
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B电阻比灵敏度K
Rs K= R0
基本测量电路
气体传感器初始过程和响应
5.表面电阻控制型气体敏感元件
C响应时间tr-响应速度: 从接触被测气体到电阻变化量的63%时所需时间。
沈 阳 工
F初期恢复时间 H初期稳定时间 长时间，不通电存放，恢复使用。 D恢复时间ts-脱附速度: 从脱离被测气体到电阻恢复到稳定变化量63%时所需时间。 E加热电阻RH和加热功率PH:气敏元件提供工作温度的加热器电阻和所需功率。
ZnO薄膜酒敏元件的结构 薄膜酒敏元件的结构
5.表面电阻控制型气体敏感元件 表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工
装加热器 涂催化剂 烧结 初测
5.8 ZnO气体敏感元件工艺 气体敏感元件工艺
焊有引线基筒
ZnO+添加剂 添加剂
混合膏剂
电极涂覆
烧结
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老化
封装
测试
5.9 ZnO气体敏感元件气敏特性 气体敏感元件气敏特性
大
感材料制成厚膜膏浆。 感材料制成厚膜膏浆。
学
优点：一致性好，机械强度高， 优点：一致性好，机械强度高，适于批 量生产。 量生产。
5.表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工 业 大 学
对于O2
5.3 SnO2气敏原理（晶界势垒模型）
气敏部分由N型材料构成，电阻值取决于表面态密度和晶粒大小影响。
1/2O2+ne->Oad-
对于间隙原子
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M i → M i+ + e → M i2 + + 2e
金属起施主作用
Oi → Oi− + h → Oi2− + 2h
氧起受主作用
对于反结构缺陷，共价键化合物中， 替代 替代M时 对于反结构缺陷，共价键化合物中，O替代 时，电离产生电子形成施主 能级。 能级。
+ 2 Om → Om + e → Om+ + 2e
对于反结构缺陷，共价键化合物中， 替代O时 对于反结构缺陷，共价键化合物中， M 替代 时，电离产生空穴形成受 主能级。 主能级。
M o → M o− + h → M o2 − + 2 h
4.金属氧化物的半导体化 金属氧化物的半导体化 沈 阳 工 业 大 学
当在金属氧化物形成V 电离时提供电子即形成施主能级，使材料成为N型 当在金属氧化物形成 o后，电离时提供电子即形成施主能级，使材料成为 型 2种方法控制电阻率 种方法控制电阻率 a.掺入不同化合价的杂质原子； 掺入不同化合价的杂质原子； 掺入不同化合价的杂质原子 b.控制氧化物化学剂量比偏离方向和程度。 控制氧化物化学剂量比偏离方向和程度。 控制氧化物化学剂量比偏离方向和程度 外来杂质F，如果是间隙，金属为施主，电负性大的为受主，如果是替位， 外来杂质 ，如果是间隙，金属为施主，电负性大的为受主，如果是替位，分2两 两 种情况： 种情况： （1）替代 ，化合价大于 ，有剩余电子被激发出去，形成施主能级，化合价 ）替代M，化合价大于M，有剩余电子被激发出去，形成施主能级， 小，形成受主能级。 形成受主能级。 （2）替代 时，化合价大，起受主作用，化合价小，起施主作用。 ）替代O时 化合价大，起受主作用，化合价小，起施主作用。 金属氧化物电学性质控制 控制金属氧化物导电类型和电阻率等电学性质就变成了控制晶体中杂质 和缺陷的种类和数量。 和缺陷的种类和数量。
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气敏传感器
大 学
课程主要内容
沈 阳 工 业 大 学 1.气敏传感器应用示例 2.气敏传感器的分类 3.气敏传感器的主要参数及特性 4.金属氧化物的半导体化 5.表面电阻控制型气体敏感元件 6.体电阻控制型气体敏感元件 7.非电阻型气体敏感元件 8.基于MEMS技术的气体微传感器
1.气体传感器应用示例 沈 阳 工 业 大 学
6.体电阻控制型气敏元 体电阻控制型气敏元 件 沈 阳 工 业 大 学
γ-Fe2O3气敏元件结构
6.2 γ-Fe2O3气敏元件工艺
FeCl3
测试电路 工艺流程
6.体电阻控制型气敏元件 沈 阳 工 业 大 学
6.3 γ-Fe2O3气敏元件性能
6.体电阻控制型气敏元件 沈 阳 工 业 大
加热器 基片
引线
电极
引线
优点： 优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度
mm 单位：
高、互换性好、产量高、成本低等。
5.表面电阻控制型气体敏感元件 表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工 业
丁基卡必醇醋酸脂组合成的有机体加上敏
(c)厚膜型 厚膜型SnO2气敏传感器 厚膜型 敏感材料是由SnO2、PdCl2、MgO、 敏感材料是由 、 等混合而成， ThO和SiO2等混合而成，将β-萜品醇和 和 萜品醇和
工
(d)稳定性 当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内 稳定性： 稳定性
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气敏元件输出特性保持不变的能力; (e)温度特性 气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性; 温度特性： 温度特性 (f)湿度特性 气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性； 湿度特性： 湿度特性 (g)电源电压特性 指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 ; 电源电压特性： 电源电压特性 (h)时效性与互换性 反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型 时效性与互换性： 时效性与互换性 号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性。
5.表面电阻控制型气体敏感元件 表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工 业 大 学
5.7 ZnO表面电阻控制型气体敏感元件 表面电阻控制型气体敏感元件
ZnO是应用最早的一种半导体气敏材料，物理化学性质稳定，禁带宽度 是应用最早的一种半导体气敏材料，物理化学性质稳定， 是应用最早的一种半导体气敏材料 熔点为1875℃，粉体承白色或淡黄色，工作温度为 为3.4eV ，熔点为 ℃ 粉体承白色或淡黄色，工作温度为400-450℃，比 ℃ SnO2气敏元件高，因此，发展没有SnO2快。 气敏元件高，因此，发展没有
5.6 SnO2气敏元件材料的添加剂
提高气敏元件灵敏度的添加剂 贵金属添加剂的作用实质上是一种催化作用，Pd、Pt。 贵金属添加剂的作用实质上是一种催化作用， 、 。 提高气体识别能力的添加剂（选择性） 提高气体识别能力的添加剂（选择性） 添加稀土金属可以改善元件对某些气体的识别能力。如添加二氧化钍 添加稀土金属可以改善元件对某些气体的识别能力。 可以提高气敏元件对CO的识别能力，添加二氧化铈可以改善元件对烟雾 的识别能力， 可以提高气敏元件对 的识别能力 的识别能力。 的识别能力。
5.表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳 工 业 大 学
符号
5.2 SnO2气敏器件类型 (a) 烧结型SnO2气敏器件 旁热式气敏器件: 把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上金 电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料。
优点：克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高。
5.表面电阻控制型气体敏感元件 沈 阳
气体 空气 液体