燃烧气体
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例
输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
利用化学溶剂与气体反应产生 的、 气体选择性好，但不能重
SO2等
复使用
利用与空气的折射率不同而产 生的干涉现象
与空气折射率不同的 气体，如CO2等
2020电/5/18 导增加，使元件电阻减小。
◆该类气敏元件通常工作在高温状态（ 200~450℃），目的是为了加速上述的氧化 还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下 吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保 持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器 件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大。显然， 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度 增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图1 （a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输 出2020电/5/18压与温度的关系如图1（b）所示。
第9章 气敏湿敏传感器
• 9.1 气敏传感器 • 9.2 湿敏传感器
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9.1 气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、 浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器 是目前实际使用最多的气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可 能用一种传感器检测所有类别的气体，因此 半导体气敏传感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气 、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有 毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
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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
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5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
图1 输出电压与温度关系
图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻 中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化 ，输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出 。
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图2 气敏元件结构
◆气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高
很多。因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热 ，结构如图2所示，1和2是加热电极，3和4是 气敏电阻的一对电极。
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9.1.1 气敏传感器的分类
类型 半导体式
接触燃烧式
化学反应式 光干涉式 热传导式 红外线吸收 散射式
原理
检测对象
特点
若气体接触到加热的金属
氧 化 物 ( SnO2、Fe2O3、ZnO2 等 ) ， 电阻值会增大或减小
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
9.1.3 半导体式气敏传感器的工作原理
• 半导体式气敏传感器：
– 利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度
• 半导体式气敏传感器可分为：
– 电阻式 – 非电阻式
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半导体式气敏传感器
电阻式 非电阻式
烧结型 薄膜型 厚膜型
二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 Pd—MOSFET气敏传感器
半导体式气敏传感器的分类
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1 气敏电阻的工作原理
◆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、氧 化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气 体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时 还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt） 、银（Ag）等。
◆金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半 导体后却显示气敏特性。通常器件工作 在空气中，空气中的氧和NO2这样的电 子兼容性大的气体，接受来自半导体材 料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导 体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少，使表面电导减小，从而使器件 处于高阻状态。一旦元件与被测还原性 气体接触，就会与吸附的氧起反应，将 被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面
寿命长，但选择性差
根据热传导率差而放热的发热 元件的温度降低进行检测
与空气热传导率不同 的气体，如H2等
构造简单，但灵敏度低， 选择性差
由于红外线照射气体分子谐振 而吸收或散射量进行检测
CO、CO2等
能定性测量，但装置大， 价格高
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9.1.2 接触燃烧式气体传感器检测原理
可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触， 发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作 为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情 况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10％)， 可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓 度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧) 产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高) 愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏 感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃 性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元 件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在 铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使 用寿202命0/5/1，8 又可以提高检测元件的响应特性。
P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴 浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。
在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取 代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。在P型半导 体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电 。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。 掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性 202能0/5/就18 越强。
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N型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电 子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取 代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半 导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电 子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发 形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越 高，导电性能就越强。