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，从而得到了广泛的应用。 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。 表 10-1 给出了半
导体气敏传感器的应用举例。
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表10-1 气敏传感器主要检测对象及应用场所
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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。图10-3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。

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一、半导体气体传感器
气体敏感元件，大多是以金属氧化 物半导体为基础材料。当被测气体在该 半导体表面吸附后，引起其电学特性(例 如电导率)发生变化。 气敏传感器气敏元件的工作原理十 分复杂，有不同的解释模型。 目前流行的定性模型是：原子价控 制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势 垒模型。
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第一节 可燃性Βιβλιοθήκη 体报警器可燃性气体报警器由传感器和报警器二 部分组成。 传感器是连续测定设备四周空气中可燃 性气体额体积百分含量，转换成电信号， 传送到报警器发出报警信号。 可燃性气体传感器有两种形式： 一种是半导体气敏传感器，另一种是催 化反应热式传感器。

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第十章 常用传感器的应用
可燃性气体报警
压力测量
液位测量
流量测量 温度测量
气体成分分析
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在自动化系统中，各种工艺变量的获得，都要 通过检测元件（传感器），它直接响应被测工 艺变量，并输出一个对应关系的信号。 对于检测仪表来说，检测、变送与显示是三个 独立部分，也可以只用其中两个部分。当然检 测、变送与显示也可以有机地结合为一体。 对检测仪表有以下三条基本要求： 1、测量值要正确反映被控变量的值，误差不 超过规定的范围； 2、在环境条件下能长期工作，保证测量值的 可靠性； 3、测量值必须迅速反映被控变量的变化，即 动态响应比较迅速。
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器件电阻 / k 响应时间约 1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
图 10-3 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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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 。 N 型材料有 SnO2 、 ZnO 、 TiO 等，P型材料有MoO2、CrO3等。
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报警器的显示值是采用国际标准，以％LEL为 计量单位。其意义是以可燃气体的爆炸下限浓 度为100％，仪器检测出来的可燃气体浓度值 折算成％LEL显示出来。 例如，丙稀气体，它的爆炸下限浓度为2.4％， 则显示值100％LEL表示空气中含有丙稀的浓度 为2.4％，达到爆炸下限浓度，就会发生爆炸。 若报警器显示50 ％LEL，则表示空气中含有丙 稀的浓度为1.2％。 一般情况下，预警设定点应设置在20 ％LEL或 40 ％LEL处，也可以根据情况自行设定，但不 得大于60 ％LEL。
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（一）工作原理
半导体气敏传感器的结构如右图所示。 一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。
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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，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）。
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由于加热方式一般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
及符号如下图所示。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
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气敏元件工作时必须加 热，其目的是： 加速被测气体的吸附、 脱出过程； 烧去气敏元件的油垢或 污垢物，起清洗作用； 控制不同的加热温度能 对不同的被测气体具有 选择作用。 加热温度与元件输出的 灵敏度有关。如右图所 示。
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气敏元件一般工作在200～400℃的 高温。 为气敏元件提供必要工作温度的加 热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加 热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻 值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于 20Ω。 气敏元件正常工作所需的加热电路 功率，称为加热功率，用ＰＨ表示。一般 在(0.5～2.0)W范围。
隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS＃109型气敏
传感器均属此类结构。
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加热极兼电极
SnO2烧结体 3 4 1 1
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(a)结构
(b)符号
直热式气敏器件结构及符号
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旁热式气敏器件的结构及符号如下图所示，它的特点
是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测
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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。