传感器 第9章 气、湿敏传感器
第九章 气、湿敏传感器
第一节 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的 传感器。
分类：按构成气敏传感器材料：半导体、非半导体
按半导体与气体的相互作用的位置
表面控制型 体控制型
半 导 体
按半导体变化的物理性质
电阻型 非电阻型
气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所
一、电阻型半导体气敏材料的导电机理 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致 敏感元件阻值变化而制成。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，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，另一部分残留分子产生热分 解而化学吸附在吸附处。 当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得电子而变成负离子吸附，半 导体表面呈现电荷层。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则 吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。
2.钯－MOS场效应晶体管气敏器件
第二节
湿敏传感器
1.湿度传感器及其分类 湿度传感器是指大气中水蒸气的含量。通常采用绝对 湿度（AH）和相对湿度（％RH）来表示。
水分子易于吸 附在固体表面 并渗透到固体 内部的这种特 性称为水分子 亲和力
一、水分子亲和力型湿敏元件 1.氯化锂湿敏元件 氯化锂是电解质湿敏元件的代表。它是利用阻 值随环境相对湿度变化二变化的机理制成的测湿 元件。 结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积 或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配制的 氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成 了氯化锂湿敏元件，其结构如9-10（a）所示。
（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时， 导致其表面层电子浓度下降，但是还不足以使表 面层的空穴浓度增加到出现反型层，此时仍以电 子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度的 下降而增大。
传感技术第九章 气、湿敏传感器
2、相对湿度和绝对湿度
水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中 存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度 下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越 高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压 同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度
RH p 100 % ps
电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂 上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度 升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种 多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而 制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂 覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材 料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。 制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易 于和半导体电路集成在一起。
以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时， 加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧 掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵 敏度和响应速度，一般加热到200--400℃，具体 温度视所掺杂质不同而异。
这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜， 使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在 低浓度(3000mg/kg)下，灵敏度也很高。其缺点 在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强， 各器件之间的特性差异大等。
（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。
（3）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
气敏、湿敏传感器精选全文
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
半导体传感器
第9章 半导体传感器
9.1.2 半导体气敏传感器的机理
半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反 应导致敏感元件阻值变化而制成的。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 部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导 体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)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 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。
第9章 半导体传感器
Sn O2烧 结 体 1
2
3 4
Ir—P d合 金 丝 (加 热 器 兼 电 极 )
(a)
13
13
24
24
(b)
图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
第9章 半导体传感器
旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示，它的特点是将 加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金 电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式 结构的缺点，使测量极和加热极分离， 而且加热丝不与气敏材 料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大， 降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳 定性、 可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗 TGS＃812、813型等气敏传感器都采用这种结构。
数有关。Pd—MOSFET气敏器件就是利用H2在钯栅极上吸附后引 起阈值电压UT下降这一特性来检测H2浓度的。
气敏、湿敏电阻传感器的应用
酒精传感器的选择性
广东机电职业技术学院------传感器及应用 传感器及应用 广东机电职业技术学院
防止酒后驾车控制器原理
防止酒后驾车控制器原理电路如图10-16所示。 图中 所示。 图中QM-J1为酒敏元件。 若司机 为酒敏元件。 防止酒后驾车控制器原理电路如图 所示 没喝酒， 在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高， 为高电平， 没喝酒， 在驾驶室内合上开关 ，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平， U1为 低电平， 为高电平， 继电器K 线圈失电，其常闭触点K 闭合， 低电平，U3为高电平， 继电器 2线圈失电，其常闭触点 2-2闭合，发光二极管 VD1通，发绿光， 能点火启动发动机。 发绿光， 能点火启动发动机。
广东机电职业技术学院------传感器及应用 传感器及应用 广东机电职业技术学院
传感器的阻值随温度、 （2） 温湿度特性： SnO2传感器的阻值随温度、 湿度上 ） 温湿度特性： 升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、 恒湿外， 升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、 恒湿外， 其有效 措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度 措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度 补偿。 补偿。 初期恢复特性及初期稳定特性： （3） 初期恢复特性及初期稳定特性： 经短期存放再通 电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称 电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称 ）， 为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。 为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。 存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放7～15天后的初期 存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放7 15天后的初期 恢复时间一般约在2 min之内 之内。 恢复时间一般约在2～5 min之内。
第9章气敏湿敏传感器
SnO2 烧结体 1
2
3 4
Ir—Pd合金丝 (加热器兼电极)
(a)结构
13
24 （b)符号
图15.6 直热式气敏器件的结构和符号
旁热式气敏器件
旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内， 在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导 体材料，就构成了器件
克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高
半导体式气敏传感器的分类
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。
（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。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。 （2min)
◆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1（b）所示。
传感器(9 气敏、湿敏)
9.1.4应用举例 家用有毒气体探测报警器
一氧化碳、液化气，甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气 中达到一定浓度时．将危及人的健康与安全。此电路线路简单， 具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。
1.传感器
2.探测报警电路如图所示。
用QM—N10气敏传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、 高灵敏度的气敏元件。
9.2.6应用实例
1.烹调设备湿度控制的应用实例
湿敏传感器安装在烹调设备 的排气口，根据湿度变化控制烹调 过程的进行。
2. 湿度测量系统方框图
作业：
一、课后习题1、2。 二、简述电容式湿敏传感器的工作原理。 三、气敏传感器中加热器的作用是什么？ 四、设计家用有毒气体报警器的报警电路。 五、判断题： 1、当氧化性气体吸附到N型半导体上，还原性气体吸附 到P型半导体时，将使载流子增加，电阻减小。 ２、具有负离子吸附倾向的气体有02和NOx，称为氧化 性气体。 ３、气敏传感器使用时通常需要4分钟左右的预热时间。 ４、氯化锂湿敏传感器一般选用交流电供电源。 六、湿敏传感器通常由————、———、————三部 分组成。 气敏传感器由————、———、————三部分组 成。
2.陶瓷湿敏传感器
金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两种。 离子型陶瓷湿敏传感器：由绝缘材料制成的多微孔陶瓷元件 对水 分子具有物理吸附作用（毛细作用），因而在潮湿气氛中呈现出 H+离子，使元件的电导率增加。处于实用阶段的这类传感器分别 以：α-Fe2O3、K2CO3，ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。 电子型陶瓷湿敏元件：利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元 件电导率改变进行湿度测量。图9.15是氧化锆—氧化镁合成陶瓷湿 度传感器。电热元件用于加热（300~700 ℃ ）和清洗污物。外壳保 证传感器在高温下使用的热稳定性。这类传感器已应用于食品加工、 空调和干燥器等设备中。
《气湿敏传感器》课件
03
CATALOGUE
气湿敏传感器的发展趋势
提高灵敏度和精度
优化材料结构
通过改进材料结构，提高气湿敏传感器的灵敏度和响应速度。
表面修饰与功能化
采用表面修饰和功能化技术，提高气湿敏传感器的选择性，降低交 叉敏感性。
微纳技术与纳米材料
利用微纳加工技术和纳米材料，减小气湿敏传感器的尺寸，提高其 精度和稳定性。
农业领域的应用
在农业生产中，气湿敏传感器可 用于监测和控制温室内的气体和 湿度，以提高农作物的生长和产
量。
通过监测温室内的气体成分和湿 度，可以及时调整环境条件，满 足不同植物生长的需求，提高农
作物的品质和产量。
此外，气湿敏传感器还可以用于 农田环境的监测，例如检测土壤 中的气体和湿度，以指导农民合
加强基础研究与技术突破
总结词
基础研究和技术突破是推动气湿敏传感器发展的重要驱动力。
详细描述
加强基础研究，深入了解气湿敏传感器的原理和机制，探索新的材料、工艺和设 计方法。同时，鼓励技术突破，推动传感器技术的创新和进步，为气湿敏传感器 的发展注入新的活力。
拓展应用领域和范围
总结词ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拓展应用领域和范围是气湿敏传感器发展的必然趋势。
理施肥和灌溉。
医疗领域的应用
在医疗领域，气湿敏传感器可用 于监测患者的呼吸和环境中的气 体成分，以协助医生诊断和治疗
。
对于某些疾病，如哮喘、慢性阻 塞性肺病等，气湿敏传感器可以 用于监测患者的呼吸状况，及时 发现异常情况并采取相应措施。
在手术室和重症监护室等医疗环 境中，气湿敏传感器可以用于监 测空气中的气体成分和湿度，以
详细描述
为了提高气湿敏传感器的稳定性与可靠性，可以采用先进的 材料和制造工艺，优化传感器结构，提高其长期稳定性和重 复性。此外，加强质量检测和控制也是必要的措施。
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第9章 气、湿敏传感器• 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。
• 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。
9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件• 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。
• 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体外表，还是涉及到内部，分为： 外表控制型；体控制型。
按照半导体变化的物理特性:电阻式；非电阻式。
• 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；• 非电阻式半导体气敏元件那么是根据气体的吸附和反响，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。
• 气敏元件至少都必须具备如下条件：① 对气体的敏感现象是可逆的；② 单位浓度的信号变化量大；③ 能检测出的下限浓度低；④ 响应重复特性良好；⑤ 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感；⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小；⑦ 性能长期稳定，结构比拟简单。
9.1.2 外表控制型电阻式半导体气敏元件• 这种类型的气敏元件是利用半导体外表因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。
它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。
气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难复原的氧化物。
为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。
1．结构通常主要由三局部组成：① 气体敏感元件；② 对敏感元件进行加热的加热器；③ 支持上述部件的封装局部。
以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型2SnO 气敏元件是以多孔质陶瓷2SnO 为基材(粒度在1μm 以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。
烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。
这种元件主要用于检测复原性气体、可燃性气体和液体蒸气。
在元件工作时需加热到300℃左右，按其加热方式又可分为直热式和旁热式两种。
SnO气敏元件直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10直热式2SnO基体材料、加热丝、测量丝，它们都一18所示。
元件管芯由三局部组成：2SnO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。
埋在2图直热式气敏元件结构不意图及图形行号a)结构示意图 b)图形符号直热式元件的优点是：制作工艺简单、本钱低、功耗小，可以在高回路电压下使用、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，日本弗加罗TGS#109型气敏元件就是这种结构。
直热式气敏元件的缺点是，热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。
SnO气敏元件结构示意图如下图。
其管芯增加了一个陶瓷管，在管内旁热式2SnO材料。
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2旁热式结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，免了回路间的互相影响；元件热容量大，降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。
所以，这种结构的元件稳定性、可靠性较直热式有所改良。
目前国产QM—N5型气敏元件，日本弗加罗TGS#812、813型气敏元件均采用这种结构。
图 旁热式气敏元件结构示意图及图形符号a) 结构示意图b)图形符号图9.1 某型号气敏传感器的整体结构气敏元件有三种结构类型——烧结体型、薄膜型和厚膜型(a)多孔质烧结体型气敏元件 是把电极和元件加热用的加热器埋入金属氧化物中，添加Al 23O 等催化剂和粘结剂，通电加热或加压成型后再低温烧结而成。
这类元件的性能一致性较差。
(b)薄膜型气敏元件 这类元件是在绝缘衬底(如石英基片)上蒸发或溅射上一层氧化物半导体薄膜(厚度小于几微米)制成的，其性能受到工艺条件以及薄膜的物理、化学状态的影响，元件间性能差异较大。
但由于近期薄膜技术的飞速开展和以微细加工为中心的半导体技术的影响，这类元件性能已有了新的改观。
(c)厚膜型气敏元件 一般是把半导体氧化物粉末、添加剂、粘合剂及载体混合成浆料，再用丝网印刷到基片上制成的，其灵敏度与烧结体型的相当，工艺性、机械强度和性能的一致性都很好。
根本测试电路烧结型2SnO 气敏元件根本测试电路如下列图所示。
图a 为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路，图b 、c 采用交流电压测试旁热式和直热式气敏元件电路。
无论哪种电路，都必须包括两局部，即气敏元件的加热回路和测试回路。
现以下列图为例，说明其测试原理。
图a 中，O ～10V 直流稳压电源与元件加热器组成加热回路，稳压电源供应器件加热电压H U ：0～20V 直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，直流稳压电源供应测试回路电压C U ，负载电阻L R 兼作取样电阻。
从测量回路可得到式中 C I ——回路电流；RL U ——负载电阻上的压降。
SnO气敏元件根本测试电路图2a)QM-N5测试电路b)TGS812测试电路c)TGSl09测试电路2．工作原理•当气体吸附到半导体气敏元件外表时，元件的电阻发生变化。
即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测的气体接触元件的外表而被吸附，吸附分子在元件的外表上自由扩散(物理吸附)，失去其运动能量。
一局部气体分子被蒸发；另一局部残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
•功函数：标志着电子从半导体中逸出的能量的大小。
•如果N型半导体的功函数大于气体吸附分子的离解能，气体的吸附分子将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附(带正电荷)。
供应半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷中的少数电荷——空穴。
因此，在导带上参与导电的自由电子的复合率减少，从而表现出自由电子数增加，半导体元件的阻值减小。
H、CO、碳氢化合物•具有这种正离子吸附的气体称为复原性气体，如2和酒类等。
•如果半导体的功函数小于气体吸附分子的亲和力，那么吸附分子将从半导体夺取电子而变成负离子吸附。
O、NO x等。
负离子吸附•具有负离子吸附的气体称为氧化性气体，如2的气体因为夺取了半导体的电子，而将空穴交给半导体，使导带的自由电子数目减少，因此元件的电阻值增大。
工作原理流程图9.3 工作原理流程解释•图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值变化情况：•由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。
当处于空气中的元件的阻值保持不变时，如果被测气体流入这种气氛中，元件外表将产生吸附作用，元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化，通过测量电路(如电桥电路)就可测出其浓度。
•对于P型半导体气敏元件，情况那么相反，氧化性气体使其电阻减小，复原性气体使其电阻增大。
图9.4 N型半导体吸附气体时的元件阻值变化情况3．元件材料1)氧化锡(Sn02)系SnO2是具有比拟高的电导率的N型金属氧化物半导体。
氧化锡系多孔质烧结体型气敏元件，是目前广泛应用的一种元件。
它是用氯化锡和氧化锡粉末在700～900℃下烧结而成的。
元件中添加了铂(Pt)和钯(Pd)等作为催化剂，以提高其灵敏度与气体识别能力(选择性)。
添加剂的成分与含量、元件的烧结温度和工作温度将影响元件的选择性。
如在同一工作温度下，含1.5％(重量)Pd的元件,对CO最灵敏，含O.2％(重量)Pd时，对CH。
最灵敏。
又如同一含Pt的气敏元件，在200℃以下检测CO最好,而在300℃检测丙烷、在400℃以上检测甲烷最正确。
厚膜型Sn02气敏元件，添加了Th02，提高了元件的气体识别能力，尤其是对CO的灵敏度远高于对其它气体的灵敏度。
特别是添加ThO。
的元件，在检测CO时，其灵敏度随时间有周期性的振荡现象(见图9.5)，其频率和振幅与气体的浓度有关。
虽目前尚不明确其机理，但可利用这一现象对CO浓渡作较精确的定量检测(见图9.6)。
还可以采用改变元件的烧结温度和工作温度相结合的措施，提高其气体识别能力。
图9.5 添加ThOz的SnOz气敏元件在不同浓度图9.6 振荡频率、振幅与CO浓度的关系的CO气氛中的振荡波形(元件工作温度(元件工作温度180℃)为200℃，添加1％(重量)的Th02)2)氧化铁(Fe2 03)系N型金属氧化物。
它具有通过改变Fe的价数，其电导率发生极大变化的特性。
这是在其它金属氧化物中见不到的特性。
也就是说，它具有电阻值与氧化复原状态(或条件)相对应而变化的特异性质。
在35℃左右对丙烷、异丁烷气体的灵敏度特别高，因此特别适合作液化石油气敏元件。
对甲烷有很高的灵敏度，可用作城市煤气报警。
3)氧化锌(ZnO)系氧化锌系气敏元件对复原性气体有较高的灵敏度。
它的工作温度较高，比氧化锡系气敏元件的工作温度高100℃左右，因此在应用上不及氧化锡系元件普遍。
9.1.3 基于MEMS的新型微结构气敏传感器硅和硅基MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术在MEMS压力传感器、加速度计等领域已显示了强大的威力。
用它们来制作气敏传感器容易满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。
许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关，因而一般要同时制作加热元件和温度探测元件，以探测和监控温度。
利用+MEMS，技术很容易将气敏元件和加热元件、温度探测元件制作在一起，保证了气敏传感器的优良性能。
硅和硅基MEMS技术要求所用的工艺要和硅集成电路工艺相容，使其能继承和发扬集成电路技术的强大优势。
为此，传统气敏传感器的结构要作相应改挛，改变成便于用MEMS技术制作的微结构气敏传感器(又称MEMS气敏传感器)。
微结构气敏传感器：硅基微结构气敏传感器和硅微结构气敏传感器。
l.硅基做结构气敏传感器衬底为硅，敏感层为非硅材料的微结梅气敏传感器，统称为硅基微结构气敏传感器，它是当前微结构气敏传感器的主流。
1)金属氧化物半导体或聚合物电导型气敏传感器•敏感材料是金属氧化物半导体或导电聚合物；•当这些敏感材料暴露在待测气体中时，气体会和它们发生作用，引起器件电阻或电导发生变化，给出包含气体成分和浓度的电信号，这种信号经过信号处理电路处理后，就能识别气体的成分和浓度。
2)固体电解质气敏传感器•有电流型和电压型两种:•电流型的灵敏度高，测量范围大，温漂小。
它的输出电流和敏感性能与电极尺寸关系密切。
•使用MEMS技术能精确控制电极尺寸，能保证电流型固体电解质气敏传感器的优异性能。
例如硅基微结构稳定氧化锆电流型氧传感器，在700℃下工作，功耗小于2 w。
3)电容型气敏传感器•微结构电容型气敏传感器实际上是用MEMS技术制作在硅芯片上的叉指状电容器，电容器的介质是能吸附待测气体的聚合物薄膜。