气敏传感器

1.优点： 优点： 制作工艺简单、成本低、功耗小、 制作工艺简单 、 成本低 、 功耗小 、 可以在高电压下使 可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 国内QN型和MQ型气敏元件. QN型和MQ型气敏元件 国内QN型和MQ型气敏元件. 缺点: 2.缺点: 热容量小，易受环境气流的影响； 热容量小，易受环境气流的影响； 测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩 ， 易造成接 触不良。 触不良。
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO 气敏元件是以多孔陶瓷SnO 烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 料粒度在1μm以下 以下） 添加不同物质， 材 （ 料粒度在 1μm 以下 ） ， 添加不同物质 ， 采用传统制陶方法，进行烧结。 采用传统制陶方法，进行烧结。 烧结时埋入测量电极和加热线， 制成管芯， 烧结时埋入测量电极和加热线 ， 制成管芯 ， 最后将电极和加热丝引线焊在管座上, 最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加 二层不锈钢网而制成元件。 二层不锈钢网而制成元件。 主要用于检测还原性气体、 主要用于检测还原性气体 、 可燃性气体和 液体蒸气。工作时需加热到300 左右. 300℃ 液体蒸气。工作时需加热到300℃左右. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 按其加热方式又可分为 直热式和旁热式两 种。
LPG，CO，城市煤气，酒精
使用温度（℃） 200～300 200～300 200～300 250～30 还原性气体 还原性气体 碳氢系还原性气体
250～300 500～800 200～300
13.1.6 SnO2气敏元件的结构
气敏元件分类: SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 主要有三种类型： 烧结型、 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 厚薄型。 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟， 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广 泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。 泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。
13.1.4 SnO2的气敏效应
1.经实验发现，多晶SnO 1.经实验发现，多晶SnO2 经实验发现 对多种气体具有气敏特性。 对多种气体具有气敏特性。 2.多孔型 多孔型SnO 半导体材料， 2.多孔型SnO2半导体材料， 其电导率随接触的气体种 类而变化。 类而变化。 一般吸附还 原性气体时电导率升高。 原性气体时电导率升高。 而吸附氧化性气体时其电 导率降低。 导率降低。 这种阻值变 化情况如图10 17所示 10- 所示。 化情况如图10-17所示。
由于氧吸附力很强，因此， 气敏元件在空气中放置时， 由于氧吸附力很强，因此，SnO2气敏元件在空气中放置时 ，其表面上总 是会有吸附氧的，其吸附状态均是负电荷吸附状态。这对N 是会有吸附氧的 ， 其吸附状态均是负电荷吸附状态 。 这对 N 型半导体来 形成电子势垒，使器件阻值升高。 说，形成电子势垒，使器件阻值升高。 气敏元件接触还原性气体如H CO等时 等时， 当SnO2气敏元件接触还原性气体如H2、 CO 等时，被测气体则同吸附氧发 生反应，如图10 20c所示，减少了On 吸附密度，降低了势垒高度， 10On生反应，如图10-20c所示，减少了On- 吸附密度，降低了势垒高度，从 而降低了器件阻值。 而降低了器件阻值。 在添加增感剂（ pd）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应， 在添加增感剂（如pd）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应， 提高了器件的灵敏度。增感剂作用如图10 20d所示。 10提高了器件的灵敏度。增感剂作用如图10-20d所示。
气敏传感器
13.1 概述
13.1.1
1.产生原因: 产生原因: 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前 实用气体方法很多， 实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法 具有使用方便、 具有使用方便、费用低等特点。 2.发展过程: 发展过程: 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是S 60年代初期研制成功的 半导体气敏元件是60 年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2 薄膜元 它是利用加热条件下S 件。它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增 加而下降，实现对可燃性气体检测。 加而下降，实现对可燃性气体检测。 继而又发现在SnO 烧结体中添加Pt pd等贵重金属可提高灵敏度 Pt或 等贵重金属可提高灵敏度。 继而又发现在 SnO2 烧结体中添加 Pt 或 pd 等贵重金属可提高灵敏度 。 1968年诞生了商品半导体气敏元件 其后， 年诞生了商品半导体气敏元件， 1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场。 元件也相继投放市场。 常用的气敏元件: 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主. 半导体气敏元件，目前以TGS型和QM- 型气敏元件为主. TGS型和QM
13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点
（ 1 ） 气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关 因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 材料的物理、 化学稳定性较好， （ 2 ） SnO2 材料的物理 、 化学稳定性较好 ， 与其它类型 气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnO2气敏元 气敏元件（如接触燃烧式气敏元件） 相比， 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、 （ 3 ） SnO2 气敏元件对气体检测是可逆的 ， 而且吸附 、 脱附时间短，可连续长时间使用。 脱附时间短，可连续长时间使用。 元件结构简单，成本低，可靠性较高， （ 4 ） 元件结构简单 ， 成本低 ， 可靠性较高 ， 机械性能 良好。 良好。 对气体检测不需要复杂的处理设备。 （ 5 ） 对气体检测不需要复杂的处理设备 。 可将待检测 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。
13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件 直热式SnO
直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18 所示。 组成: 元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝， 它们都埋在SnO2基材内。 工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。
13.1.8（1）直热式SnO2气敏元件特点 直热式SnO
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导体表面获得电子， 氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导体表面获得电子，形成受主型表面 能级， 能级，从而使表面带负电 e→On10-21） 1/2 O2（气）+ne→On- 吸附 （10-21）
式中On- 吸附——表示吸附氧；On——表示吸附氧 ——电子电荷 电子电荷； 式中On- 吸附——表示吸附氧；On- 吸附 ;e——电子电荷； On ;n——个数。 ——个数。 个数
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件 旁热式SnO
这种元件的结构示意图如图10-19所示。 其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂 梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件特点 旁热式SnO
这种结构克服了直热式的缺点， 其测量极与 这种结构克服了直热式的缺点 ， 加热丝分开， 加热丝不与气敏元件接触， 加热丝分开 ， 加热丝不与气敏元件接触 ， 避 免了回路间的互相影响； 元件热容易大， 免了回路间的互相影响 ； 元件热容易大 ， 降 低了环境气氛对元件加热温度的影响， 低了环境气氛对元件加热温度的影响 ， 并保 持了材料结构的稳定性。 持了材料结构的稳定性。 QM目 前 国 产 QM-N5 型 气 敏 元 件 ， 日 本 弗 加 罗 TGS#812 813型气敏元件采用这种结构 812、 型气敏元件采用这种结构。 TGS#812、813型气敏元件采用这种结构。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理B
烧结型SnO2气敏元件的气敏部分，就是这种 N型SnO2材料晶粒形成的多孔质烧结体，其 结合模型可用图10-20表示。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
这种结构的半导体，其晶粒接触界面存在电子势垒， 其接触部（或颈部）电阻对元件电阻起支配作用。 显然，这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状， 亦即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响。
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型SnO 烧结型 SnO2 气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件。 气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质 烧结体。在晶体中如果氧不足， SnO2 烧结体 。 在晶体中如果氧不足 ， 将 出现两种情况：一是产生氧空位， 出现两种情况：一是产生氧空位，另一 种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况， 种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况， 在禁带靠近导带的地方形成施主能级。 在禁带靠近导带的地方形成施主能级。 这些施主能级上的电子， 这些施主能级上的电子，很容易激发到 导带而参与导电。 导带而参与导电。
13.2.1
SnO2主要性能参数 A
3、响应时间trcs 响应时间t 把从元件接触一定浓度的被测气 体开始到其阻值达到该浓度下稳 定阻值的时间，定义为响应时间， 定阻值的时间，定义为响应时间， 表示。 用trcs表示。 4、恢复时间trcc 恢复时间t 把气敏元件从脱离检测气体开始， 把气敏元件从脱离检测气体开始， 到期阻值恢得到正常空气中阻值 的时间，定义为恢得时间，用 表示。 trcc表示。 实际上， 实际上，常用气敏元件从接触或 脱离检测气体开始， 脱离检测气体开始，到其阻值或 阻值增量达到某一确定值的时间， 阻值增量达到某一确定值的时间， 例如， 例如，气敏元件阻值增量由零变 化到稳定增量的63%所需的时间， 63%所需的时间 化到稳定增量的63%所需的时间， 定义为响应时间和恢复时间。 定义为响应时间和恢复时间。