气敏传感器讲解学习.ppt

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1、气敏传感器1.1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,性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏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敏传感器。图1：半导体式气敏传感器的分类半导体气敏传感器电阻控制型非电阻控制型表面电阻控制型体电阻控制型二极管式气敏传感器Pd-MOSFET气敏传感器MOS二极管式气敏传感器1.2半导体气敏元件的特性参数气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础

2、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。根据半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。在此只介绍电阻型。（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

3、。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。（2）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值：RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出Ra—气敏

4、元件在洁净空气中的电阻值；Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值（4）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规

5、定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压（5）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。（6）初期稳定时间一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。

6、在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。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：电阻式非电阻式表面电阻控制型气敏传感器的工作原理㈠表面电导理论表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体种类及浓度的不同增大或减小。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

7、分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。吸附分子和材料表面层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子，同时影响半导体材料表面层的性质。正是由于吸附的气体分子从材料表面得到或者给予电子，使表面层的阻值发生了改变，我们分别考虑以下两种情况：当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现空间电荷区。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

8、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。因此，当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)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。规则总结：氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体＋P型半导体：载流子数