中国地质大学（武汉）：《传感器及检测技术 Sensor And Measure Technology》课程教学资源（课件讲稿）第7章 气敏传感器和湿敏传感器

第7章气敏传感器和湿敏传感器 第7.1章气敏传感器 gag8sgg8s等g8 EEEn■mnEnnnanNeeeeennnsnEna ● 2 第7.2章湿敏传感器

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 1 第7.1章 气敏传感器 2 第7.2章 湿敏传感器

第7章气敏传感器和湿敏传感器 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 最多的是半导体气敏传感器。 ◆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

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 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 最多的是半导体气敏传感器。 ◆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

第7章气做传感器和湿敏传感器 10.1.1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

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 10.1.1 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

第7章气做传感器和湿敏传感器 ◆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，敏感膜表面电导增加，使元件电 阻减小

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 ◆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，敏感膜表面电导增加，使元件电 阻减小

第7章气做传感器和湿敏传感器 ◆该类气敏元件通常工作在高温状态（200450℃)， 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10-1（a) 所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温 度的关系如图10-1（b)所示

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 ◆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10-1（a） 所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温 度的关系如图10-1（b）所示

第7章气做传感器和湿敏传感器 600 、snOz 400 200 0 100 300 500 700 温度/℃ (b) 图10-1输出电压与温度关系 图中E为加热电源，c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

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 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。 图10-1 输出电压与温度关系

第7章气做传感器和湿敏传感器 图10-2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10-2 所示，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 ◆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10-2 所示，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。 图10-2 气敏元件结构

第7章气做传感器和湿敏传感器 10.1.2气敏传感器的种类 ◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。 1.烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在 金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧 结而成。目前最常用的是氧化锡(SnO2)烧结 型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200入 300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体， 如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较 高的灵敏度

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 10.1.2 气敏传感器的种类 ◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。 1. 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在 金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧 结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结 型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~ 300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体， 如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较 高的灵敏度

第7章气做传感器和湿敏传感器 2.薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石 英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1um 以下)，构成薄膜型气敏元件。氧化锌(ZnO)薄 膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通 过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引 出电极，最后将基片上的锌氧化

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 2. 薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石 英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1μm 以下），构成薄膜型气敏元件。 氧化锌（ZnO）薄 膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通 过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引 出电极，最后将基片上的锌氧化

第7章气做传感器和湿敏传感器 氧化锌（ZnO) 薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度

第7章 气敏传感器和湿敏传感器 ◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度