电阻式半导体气体传感器
化学电阻气体传感器种类及特点
化学电阻气体传感器种类及特点化学电阻气体传感器是一种常用的气体传感器，可以用于检测和测量空气中的各种气体浓度，广泛应用于环境监测、工业生产、安全防护等领域。
根据其工作原理和传感材料的不同，化学电阻气体传感器可以分为几种不同的类型，每种类型都有其特点和适用范围。
1. 金属氧化物传感器（Metal Oxide Semiconductor Sensor，简称MOX）：金属氧化物传感器是最常见的一种化学电阻气体传感器。
它的工作原理是通过金属氧化物材料与气体发生化学反应，改变电阻值来检测气体浓度。
金属氧化物传感器具有灵敏度高、响应快、成本低的特点，可以检测多种气体，如一氧化碳、二氧化硫、甲醛等。
但是金属氧化物传感器对温度和湿度的变化较为敏感，需要进行温湿度补偿。
2. 电化学传感器（Electrochemical Sensor）：电化学传感器是另一种常见的化学电阻气体传感器。
它的工作原理是利用电化学反应测量气体浓度。
电化学传感器通常由电极、电解质和反应物组成，当目标气体与电极上的反应物发生反应时，会引起电流或电压的变化。
电化学传感器具有高精度、低功耗和长寿命的特点，可以检测多种气体，如氧气、一氧化碳、二氧化硫等。
但是电化学传感器对温度和湿度的变化也较为敏感。
3. 半导体气体传感器（Semiconductor Gas Sensor）：半导体气体传感器是一种基于半导体材料的化学电阻气体传感器。
它的工作原理是通过半导体材料与目标气体之间的相互作用来测量气体浓度。
半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、成本低的特点，可以检测多种气体，如甲醛、乙醇、甲烷等。
但是半导体气体传感器对温度和湿度的变化较为敏感，需要进行温湿度补偿。
4. 光学气体传感器（Optical Gas Sensor）：光学气体传感器是一种基于光学原理的化学电阻气体传感器。
它的工作原理是通过光的吸收、散射或透过程度来测量气体浓度。
光学气体传感器具有高灵敏度、快速响应和高选择性的特点，可以检测多种气体，如二氧化碳、氨气、二氧化硫等。
半导体气敏传感器分类
B、烧结型气体传感器的工作特性 1)气敏特性
遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可燃性)气体， 材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时，材料 表面层电阻率增大。
在检测前，材料表面原已吸着氧，所以对可燃 性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃ 范围内。为使传感器能在这样高的温度范围稳定工 作，具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物， 常见的是SnO2和ZnO。
C、体电阻控制型气敏传感器 1)Fe2O3系列 Fe2O3系列现有α-Fe2O3和γ-Fe2O3。主要检测液 化石油气、煤气和天然气。α-Fe2O3对水蒸气和乙醇 不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。 2)氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发 动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳 燃烧状态，以达节能目的。
厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与 一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。
工艺最成熟的是烧结型的。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。
A、烧结型气体传感器的结构与符号 烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种, 其结构与符号如图4-2-1、4-2-2所示。
加热极兼电极
直热式的加热 丝兼作电极。其结 构简单、成本低、 功耗小；但热容量 小，易受环境气流 影响；因加热丝热 胀冷缩，易使之与 材料接触不良；在 测量电路中，信号 电路和加热电路相 互干扰。
在片状多孔陶瓷 的两表面烧结多孔金 属电极模，焊接铂铑 引线，封装于带筛网 孔的方形塑料外壳内。 这种传感器不须用加 热器，只需0.5mW的微 小功率即可使用。已 广泛应用于轻纺、食 品加工、仓库管理、 环境保护、家用电器 等许多领域。
ZnO气体半导体传感器简单介绍
ZnO的制备
• 液相法是在制备过程中，通过化学溶液作为传递能量的 媒介，从而制备各种纳米、溶剂热法、微乳液法、化学 反应自组装法（、液相模板法等。随着研究发展，目前 也发展了一些不属于以上两种的方法，比如像光刻也可 以用来制备纳米材料。
ZnO气敏性原理
材料表面吸附各种不同气体后，材料电阻率发生变化， 从而表现出气敏特性。ZnO材料对CO、C2H5OH、H2、NO2 等气体比较敏感，电阻率变化比较大，从而是气敏元件 的一种良好选择材料。当ZnO材料吸附还原性气体时， 电阻率随气体浓度升高而降低；反之，吸附氧化性气体 时电阻率随气体浓度升高而增大。这就为ZnO材料制作 气敏元件奠定了基础。此外，随着ZnO纳米技术的发展， 纳米材料比表面积较大，化学活性提高，从而可以提高 材料气敏特性。目前，使用各种技术已经制备出了对CO、 CH4、H2等气体有较高灵敏度的ZnO纳米气敏元件
ZnO半导体传感器检测气体
• ZnO器件主要用来检测可燃性和还原性气体。 • 完整的氧化物不具有半导体的性质，因此，常利用掺杂ZnO或
• •
其复合材料作为气敏材料。例如：将Cr203一ZnO复合材料对 NH3具有了很高的灵敏度和选择性；ZnO／Zn2Sn04 、 ZnO— CuO复合材料可以选择性地检测CO气体；Zn2Fe2SO4／ZnO 复合材料甲醇、乙醇和丙醇都具有较高的灵敏度。 另外ZnO表面修饰上贵金属也可以极大地改变其气敏性质。例 如：在ZnO纳米线上面修饰Au以后，对CO体具有高的灵敏度； 在ZnO薄膜和棒上负载上Pt发现负载后的样品在室温下可以极 大地提高对H2敏感度：ZnO纳米线上吸附上Pd发现可以提高 材料对乙醇的灵敏度。
半导体气体传感器——ZnO
气体传感器的应用
半导体气体传感器原理
半导体气体传感器原理
半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件电阻值发生变化而制成的。
具体来说，当气体接触到半导体表面时，被吸附的分子首先在物体表面自由扩散，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吸附在物体表面。
如果半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走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。
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氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。
当氧化型气体吸附到n型半导体，还原性气体吸附到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，半
导体阻值下降。
以上信息仅供参考，如需了解半导体气体传感器原理的更多信息，建议查阅相关书籍或论文。
气体检测仪中的半导体式气体传感器优缺点
气体检测仪中的半导体式气体传感器优缺点气体传感器是一种能够探测周围环境中气体浓度的装置。
气体传感器广泛应用于环境监测、安全检测、医疗检测等领域。
根据不同的测量原理，气体传感器可以分为多种类型，其中半导体式气体传感器是比较常见的一种类型。
半导体式气体传感器的工作原理半导体式气体传感器的工作原理与半导体材料中所含的掺杂物有关。
当掺杂物的浓度发生变化时，会改变半导体材料的电学性质，从而影响其导电能力。
因此，通过对半导体材料的电阻变化的测量，可以获取气体浓度信息。
半导体式气体传感器通常是由一个电阻器和一个敏感层组成。
敏感层一般是一层半导体材料，其电阻随着气体浓度的变化而变化。
当敏感层暴露在气体环境中时，气体分子会与敏感层表面发生物理或化学反应，导致敏感层电阻发生变化。
该变化的幅度与被测气体的浓度成正比。
半导体式气体传感器的优点半导体式气体传感器具有以下优点：1. 价格较低相对于其他气体传感器，半导体式气体传感器的价格较为低廉。
这使得它成为大批量生产的理想选择。
2. 灵敏度高由于半导体式气体传感器的敏感层是非常薄的一层材料，因此它具有比较高的灵敏度。
它可以检测非常低浓度的气体，响应速度也比较快。
3. 体积小、重量轻半导体式气体传感器的体积较小、重量较轻，这使得它可以方便地嵌入到各种设备中，如气体检测仪、个人气体监测器等。
半导体式气体传感器的缺点半导体式气体传感器也具有以下缺点：1. 精度较低因为半导体材料的响应可能会受到很多因素的影响，比如温度、湿度以及其他气体的存在等，所以半导体式气体传感器的精度可能会受到一些限制。
2. 只适用于特定的气体半导体式气体传感器的敏感层选择非常重要，不同的敏感层对不同的气体响应有着不同的特性。
因此，如果需要检测多种气体，则需要配备多个不同的半导体式气体传感器。
3. 长期稳定性差半导体式气体传感器受到温度、湿度等因素的影响，同时，由于敏感层接触气体表面的反应并不是一种可逆的过程，因此可能会发生漂移现象，导致长期稳定性较差。
电阻式半导体气体传感器
２０ ０ ６芷
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉｓ ｍ ｅ ｎ ｔ ａｍ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｅｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓｒ
２ｏ ０６
Ｎｏ ７ ．
第 ７期
电 阻式 半 导体 气 体 传 感 器
张 强， 自生 管
ｆｂ ｃｔ ｎｏ ａ ｅ ｓｒ ｄｍｅｈｄ ｃｅ ｉｇｓｎｉｖｔ ｒ ｔ ｄ ｃ ｄｉ ｅａｌ ｅｐ ｃｉｅｙ ａｅ ｎｔｅｓ ｄｅ ｌ ｅｄ ａ Ｈ ａｏ ｇｓｓｎｏ ａ ｔｏ ｓｏ ｉ ｒａ ｎ ｅｓｔ ｉ ｗｅｅｉ ｒ ｕ ｅ ｎｄ ｔｉ，ｒｓ ｅｔ ｌ．Ｂ ｓｄｏ ｔ ｉｓｉ ｔｉ ｆ ｌ， ｉ ｆ ｓｎ ｆ ｎ ｓ ｉ ｙ ｎｏ ｖ ｈ ｕ ｎ ＩＳｉ
中图分类号 ：Ｎ ０ ；Ｐ １ Ｔ ３４Ｔ ２２
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Ｇａ ｅ ｓ ｒ ｆＥ ｅ ｔｉ ｓｓａ ｃ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｓＳ ｎ ｏ ｓｏ ｌｃｒｃＩ ｉｔｎ ｅ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｓ
作用 的方式 同样 也具多样性 ， 因此给 出此类传 感器敏感机 理一
气敏材料作为传感器最 为关键 的一部分 ， 质直接影 响 其性 到传感器 的性能 ， 常见电阻式 敏感 材料见表 １主要分为金 属氧 ， 化物类 、 复合类 、 高分 子类 。其 中 ｓ０、ｎ 、ｅ０作 为 传统 金 ｎ２ＺＯ Ｆ ３ ： 属氧化物及其掺杂类 气敏材料已被广泛研究【］ １， ２ 但在实际应用 中存在选择性差 、 温度高 、 操作 稳定性 差等 问题 ， 近十几年 来对
来看， 半导体气体传感器是应用最为广泛的。半导体传感器包
电阻式半导体气敏传感器的基本性能分析
电阻式半导体气敏传感器的基本性能分析09电本120091004106 成绩：摘要：利用理论分析与参阅相关技术手册，了解电阻式半导体气敏传感器的结构，基本原理，推导气敏传感器的特性参数：电阻值，灵敏度，漂移等。
能够在充分研究理论知识之后，学会简单的应用，设计电路，利用温度补偿降低其对传感器稳定性的影响。
关键词：电阻半导体气敏传感器基本原理特性参数温度补偿The basic performance analysis of Resistance-typesemiconductor gas sensorAbstractAccording to the theoretical analysis, refer to the relevant technical manual to understand the structure of Resistance-type semiconductor gas sensor and it's basic principles. Derive the characteristic parameters of gas sensors,like sensitivity, linearity, drift, selection characteristics.Making full use of the theoretical knowledge , learn simple applications to design a circuit for using the temperature compensation to reduce its impact on the stability of the sensor.Keywords:Resistance-type semiconductorbasic principles characteristic parameters the temperature compensation引言气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。
简述半导体气体传感器工作原理
简述半导体气体传感器工作原理
半导体气体传感器是一种常用的气体检测设备，广泛应用于工业生产、环境监测、安全防护等领域。
其工作原理基于半导体材料对不同气体的吸附作用，通过测量半导体材料电阻的变化来实现气体浓度的检测。
半导体气体传感器的核心部件是由半导体材料制成的传感元件。
当目标气体接触到传感元件表面时，会发生化学反应，导致传感元件表面电子浓度的变化。
这种表面电子浓度的变化将影响半导体材料的电阻，从而实现对气体浓度的监测。
半导体气体传感器的工作原理是基于半导体材料的吸附作用。
不同的气体在半导体表面的吸附作用不同，导致表面电子浓度的变化也不同。
通过测量半导体材料电阻的变化，可以间接地反映出目标气体的浓度。
半导体气体传感器还可以通过加热传感元件来提高传感器的灵敏度。
加热传感元件可以促进目标气体在表面的吸附和反应，从而加快传感器的响应速度和稳定性。
总的来说，半导体气体传感器的工作原理是基于半导体材料表面对目标气体的吸附作用，通过测量半导体材料电阻的变化来实现对气体浓度的检测。
通过不断优化传感元件的材料和结构，可以提高传感器的检测灵敏度和稳定性，满足不同应用场景的需求。
半导体气体传感器工作原理
半导体气体传感器工作原理半导体气体传感器，这名字听起来挺高大上的，但其实它就像是我们日常生活中的一个小帮手，默默无闻地在那儿工作。
想象一下，你在家里做饭，油烟机一开，厨房里瞬间弥漫着各种气味，这时候如果家里有个半导体气体传感器，它就会像一个小侦探一样，帮你检测空气中的气体成分。
肯定有人会问，它到底是怎么做到的？别急，我慢慢来给你讲。
半导体气体传感器的工作原理其实挺简单的。
它的核心材料通常是一些特定的半导体材料，比如说二氧化钛、锡氧化物等等。
这些材料在空气中待久了，会吸附一些气体分子，像是小海绵一样，滋润得不得了。
好吧，开个玩笑，实际上它们是通过化学反应来改变自己的电阻值。
当某种气体进入传感器时，这些气体分子就会和半导体材料发生反应，结果就是电阻值会发生变化。
没错，简单来说，就是电阻变了，电流也就随之变化了。
这就好比你在路上碰到朋友，跟他打招呼一样。
电阻和电流之间的这种互动就像你们之间的交流，友好、亲切，又有点紧张。
这种变化是可以通过电路来检测的，电路就像是个老好人，能够把这些变化转化成信号，告诉你“嘿，空气里有啥气体哦！”。
哇，听起来是不是有点像科幻电影里的高科技设备？半导体气体传感器的用途可不止检测厨房里的油烟。
它可以用在很多地方，比如说工业领域、环境监测、汽车排放检测等等。
你知道吗？在工厂里，如果有有害气体泄漏，传感器会立马报警，确保工人们的安全。
这就像一个忠实的守卫，时刻关注着你身边的一切。
真是让人感到安心。
再说说它的反应速度。
半导体气体传感器反应速度可快了！就像闪电一样，转眼之间就能给你答案。
因为它的结构很简单，不需要经过复杂的处理，就能在短时间内检测到气体的变化。
这样一来，很多场合都能用得上，生活中大大小小的问题，都能找到它的身影。
多实用啊，简直是“随叫随到”的小助手。
不过，半导体气体传感器也有自己的“小脾气”。
它对环境的变化可敏感了，比如温度、湿度这些，都可能影响它的表现。
想象一下，外面下雨了，空气湿气重，它可能就会有些“情绪波动”，导致检测结果不太准确。
半导体气体传感器的工作原理
半导体气体传感器的工作原理
半导体气体传感器是一种常见的气体检测设备，它可以检测空气中的各种气体浓度，如甲醛、二氧化碳、一氧化碳等。
其工作原理是基于半导体材料的电学特性，通过测量半导体材料的电阻变化来检测气体浓度。
半导体气体传感器通常由两个电极和一个半导体材料组成。
当气体分子进入半导体材料时，它们会与半导体材料中的自由电子或空穴发生反应，导致半导体材料的电阻发生变化。
这种变化可以通过测量电极之间的电阻来检测气体浓度。
半导体气体传感器的灵敏度和选择性取决于半导体材料的种类和结构。
常见的半导体材料包括二氧化锡、氧化锌、氧化铟等。
这些材料的电学特性可以通过控制其晶格结构、掺杂杂质等方式进行调节，从而实现对不同气体的检测。
半导体气体传感器具有响应速度快、体积小、功耗低等优点，因此被广泛应用于空气质量监测、工业安全、医疗诊断等领域。
但是，由于半导体材料的灵敏度和选择性受到温度、湿度等环境因素的影响，因此在实际应用中需要进行校准和补偿。
半导体气体传感器是一种基于半导体材料电学特性的气体检测设备，其工作原理简单、灵敏度高、响应速度快，具有广泛的应用前景。
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影响气敏特性的六个因素
1. 2.
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3. 4. 5. 6.
气敏材料不是单晶体；应该包括：… 为了改善气敏元件的选择性和灵敏度，一般往金属 氧化物中添加催化剂和其他氧化物，为提高元件强 度还需要添加粘合剂； 利用的是物质的表面； 表面与界面问题 元件工作在较高温度下(一般为200~400℃)；? 被测气体种类繁多，它们各有不同的特性； ? 吸附过程本身比较复杂，既有物理吸附，又有化学 吸附等。 讨论敏感机理
目前，正在积极开发的有金属／半导体结型二极管和金 属栅的 MOS 场效应晶体管的敏感元件，主要是利用它
们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成
对表面电位直接测定的传感器。
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气敏机理
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影响气敏特性的六个因素 四种模式的气敏机理 1. 整体原子价控制理论 2. 能级生成理论 3. 表面电荷层理论 4. 接触粒界势垒理论
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表面电荷层理论(气敏机理之三)
在金属氧化物表面上，由于表面结构的不 连续性或晶格缺陷，在吸附不同种类的气 体之后，将形成不同形式的表面能级。 表面能级与金属氧比物本体能带之间有电 子的接受关系，因而形成表面的空间电荷
层。
由于吸收不同种类气体之后空间电荷层变 化，从而引起气敏元件电阻值的变比。
另外，其使用场所以工厂现场和家庭为主，
只是在选择标准方面有些不同。
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气体传感器的分类
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气体传感器从结构上区别可分为两大类：
（1）干式气体传感器
（2）湿式气体传感器。
凡构成气体传感器的材料为固体者均称为 干式气体传感器；
凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称 为湿式气体传感器。
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接触粒界势垒理论(气敏机理之四)
本理论是根据多晶半导体能带模型；
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8
气体传感器的分类
半 导 体 式
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接触燃烧式 半导体陶瓷型 厚膜型 薄膜超和微粒子型
干 式 气敏元件
固体电介质式 （ZrO2—C2O) 红外线吸收式 导热率变化式（热线，热敏电阻） 以固定电位电解式为代表 （极谱式，原电池式）
湿 式
检测方法？
9
半导体气体传感器
（2）非电阻式半导体气体传感器
11
半导体气体传感器
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半导体气体传感器，是利用半导体 气敏元件同气体接触，造成半导体性
质发生变化，借此检测特定气体的成
分及其浓度。
12
半导体气体传感器的Байду номын сангаас类
主要的物理特性 表面控制层 电 阻 式 体控制层 传感器举例 氧化锡， 氧化铅 LaI-xSrxCOO3 r-Fe2O3 氧化钛，氧化钴，氧 化镁，氧化锡 氧化银 铂/硫化镉 铂/氧化钛
气体传感器的分类
3
气体传感器及气体检测方法
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概念 气体传感器必须满足的条件 当前使用的主要气体检测方法
4
气体传感器
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气体传感器是指能将被测气体
浓度转换为与其成一定关系的
电量输出的装置或器件。
5
气体传感器必须满足下列条件
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工作温度 室温~450℃ 300～ 450℃ 700 ℃以上
代表性被测物质 可燃性气体 酒精 可燃性气体 氧气 硫醇 氢气，一氧化碳， 酒精
表面电位 非 电 阻 式 二极管整流特性
室温 室温～200 ℃
晶体管特性
铂栅MOS场效应管
150 ℃
氢气，硫化氢
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电阻式半导体气体传感器
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气体传感器
1
目录
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概 述 半导体气体传感器 红外吸收式气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 热导率变化式气体传感器 湿式气敏传感器 固体电解质气敏传感器 气体传感器的标定
本章小结
2
概
述
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气体传感器及气体检测方法
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半导体气体传感器及其分类 气敏机理 主要特性及其改善 表面控制型电组式传感器 体控制型电阻式传感器 非电阻式半导体气体传感器 半导体气体传感器的应用
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半导体气体传感器及其分类
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什么是半导体气体传感器？ 半导体气体传感器的分类
(1) 电阻式半导体气体传感器
(1)能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度
相其它基准设定浓度．并能及时结出报警、显示和控
制信号；
(2)对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；
(3)性能长期稳定性好；
(4)响应迅速，重复性好；
(5)维护方便，价格便宜等。
6
各种检测方法的选择问题
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一般情况下，要检测的气体种类是已知的。 因此，检测方法的选择范围自然就缩小了。
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电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化 锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用 其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件
是多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制
的薄膜等
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非电阻式半导体传感器
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根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体 进行直接或间接检测。
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整体原子价控制理论(气敏机理之一)
本理论适用于钙钛矿型原子 价控制复合氧化物； 用ABO3一般式来表示钛矿型 氧化物，其导电过程是通过B 元素与氧组成的三维网孔状 结构进行的； 氧的解离作用可以把网状构 造的某一部分切断，一旦发 生这种现象，复合氧化物的 电阻值将显著增加。
BaTiO3的晶体结构示意图
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能级生成理论(气敏机理之二)
以SnO2、ZnO等半导体传感器的n型半导体为例讨论 这种理论； n型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交 给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入 n 型半 导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，使空穴与 导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上 是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。 与此相反，若 n型半导体吸附氧化性气体时，气体以 负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，其结束是使 导带电子数目减少，而使元件电阻值增加。