《传感器原理及应用》课程PPT教学课件（现代传感技术）第11讲 气敏传感器

第二节气敏传感器 常见气体检测方法: 1)电化法 2)光学法 ■3)电气法:半导体式和接触燃烧式。 优点:灵敏度高、响应速度快 制作简单、价格便宜

第二节 气敏传感器 ◼ 常见气体检测方法： ◼ 1）电化法 ◼ 2）光学法 ◼ 3）电气法：半导体式和接触燃烧式。 优点：灵敏度高、响应速度快 制作简单、价格便宜

介绍两种:电阻式和 MOSFET气体传感器 电阻式气敏传感器 1原理 半导体材料(如SnO2)表面吸附某些气体射, 其导电率随气体浓度变化而变化。 ■例:Sn2多晶硅(N型),内部电阻值等效 为三种电阻串联: Rn晶粒间的晶间电阻 Rs单个晶粒表面电阻厂Rn>Rs ■Rb单个晶粒的体电阻,不随表面气体变化

介绍两种：电阻式和MOSFET气体传感器 一、电阻式气敏传感器 1.原理 半导体材料(如SnO2)表面吸附某些气体时， 其导电率随气体浓度变化而变化。 例：SnO2多晶硅（N型），内部电阻值等效 为三种电阻串联： Rn—晶粒间的晶间电阻 Rs—单个晶粒表面电阻 Rb—单个晶粒的体电阻，不随表面气体变化 Rn>> Rs

则气敏电阻等效为Rn 还原性气体 还原性气体 氧化性气体 'SnO2-XS 还原气体中 U5氧化气体中的q 空气中的q 晶粒间界 晶粒间界 晶粒间界 b)电阻率↓ 0电阻率↑ 图6-4晶界势垒模型 a)在空气中b)在氧化性气体中)在还原性气体中 还原性 氧化性

则气敏电阻等效为Rn 电阻率↓ 电阻率↑ 还原性 氧化性

分为三种:烧结型、薄膜型和厚膜型。 ■图6-5为烧结型,SnO2。 Sno2 加热线圈 基底 管脚 图6-5烧结型 气敏传感器

分为三种：烧结型、薄膜型和厚膜型。 ◼ 图6-5 为烧结型，SnO2

2电阻式气敏传感器的特性 ■优点:灵敏度高、响应速度快。 ■缺点:温度、湿度影响较火。 1)温度的影响:注意加电初期 的过渡状态! 60O 50O 趣4O0 300 200 10o 100200300400500 温度/℃ 图66气敏传感器 的温度特性

2.电阻式气敏传感器的特性 ◼ 优点:灵敏度高、响应速度快。 ◼ 缺点：温度、湿度影响较大。 1）温度的影响： 注意加电初期 的过渡状态！

2)湿度的影响 Ts=250℃ 湿 10 10-4 Ts=350℃ Ts=400℃ 10 10 100300500700 0.2 温度/℃ 水汽分压/kPa 图67传感器的电导、灵敏度与湿度的关系 a)温度的影响b)湿度的影响 湿

2）湿度的影响 湿

3)催化剂和添加剂的作用 co T=200℃ 一H CHa AIR 出母 CO H 0.1 CaH P的质量分数=15% Pd的质量分数=02% C3Ha 010200300 温度/℃ 温度/℃ 气体含量/10-4% 图69钯含量对温度特性的影响 图6-8催化剂对选择性的影响 a)钯含量15%b)钯含量0.2%

3）催化剂和添加剂的作用

二、 MOSFET气敏传感器 ■将普通Mos管的A金属栅极换成能溶于 氢气(H2)的金属钯(Pd)或铂(Pt)。 ■半导体用P型单晶硅,电阻率129cm Pd栅 A1 Si02 P-Si 图6-10气敏MOS晶体管 的结构图

二、MOSFET气敏传感器 ◼ 将普通MOS管的Al金属栅极换成能溶于 氢气(H2)的金属钯（Pd）或铂（Pt）。 ◼ 半导体用P型单晶硅，电阻率1.2Ω·cm

■氢气→Pd栅膜表面→分解氢原子→被Pd 栅膜和SO2界面吸收→Pd电子功函数 →阈值电压U改变。 设无氢气时的阈值电压为Uo; 有氢气时的阈值电压为Ua, 则反应氢气浓度变化△Ur= Uta- UTO(6-13) 测量环境中有无氧气不同,见书中式6-14 △UM为最大阈值变化量

◼ 氢气→Pd栅膜表面→分解氢原子→被Pd 栅膜和SiO2界面吸收→Pd电子功函数↓ →阈值电压UT改变。 ◼ 设无氢气时的阈值电压为UT0; 有氢气时的阈值电压为Uta, 则反应氢气浓度变化△UT= Uta- UT0 (6-13) *测量环境中有无氧气不同，见书中式6-14 △UM为最大阈值变化量

阈值电压变化测量电路如下: G1T0 VD>VG-VT饱和 图611阈电压的测量电路

阈值电压变化测量电路如下： VD>VG-VT 饱和