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(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145(a)所示。
M(Pd) SiO2 P—Si
C
Ca
氢气中
空气中
Cs
O
V
(a)
(b)
(c)
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
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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Ｒａ。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
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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 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； 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。
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器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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14.2.2
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
（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
41
3
1
2
4
2
(a)结构
(b)符号
直接加热式气敏器件结构及符号
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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。
10
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极
6
1
4
加热器电阻值一
2
3 般为30Ω～40Ω
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
Ø18.4 100目不锈钢网
45°
4 3
5
23
2
6
45°
17
Ø1
7
气.敏元件外形和引出线分布
11
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。 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。
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 被测气体的。
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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）。
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。
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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
✓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。
第14章气体传感器
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14.1 概述
14 气 体 传 感 器
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。
用最广泛性。
半导 体 0.5 mm 电极
电极(铂丝) 氧化物半导体
3 mm
0.6 mm
加热 器
玻璃 (尺寸 约1 mm，也有 全为 半导 体的 )
(a)
图14-2 (a) .烧结型元件；
加热器 电极 3 mm
(b)
(b) 薄膜型元件
绝缘 基片
0 .5 (单位 : mm)
33
氧化 物半 导体 P t 电极 氧化 铝基 片
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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 种类和浓度。 N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
7
器件 加热 用的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型元件
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烧结型SnO2气敏元件
其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)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。