半导体气敏元件的应用特性(精)
半导体气敏材料的气敏特性研究
半导体气敏材料的气敏特性研究半导体气敏材料是一类有机材料，由其特性的分子结构以及属性的结合而成，它们具有电、光、机械能和化学反应能等性质，可以响应各种刺激而变化，通过调节电学特性以及光学性能来做出反应。
因此，半导体气敏材料的气敏特性一直受到学术研究者的关注。
因此，本文致力于研究半导体气敏材料的气敏性能。
一、气敏材料类别1. 根据元素组成：可分为绝缘体型半导体气敏材料、碳基半导体气敏材料和金属氧化物半导体气敏材料。
2. 根据气体的敏感性：可分为有气体敏感性的半导体气敏材料和无气体敏感性的半导体气敏材料。
3. 根据外加激励的类型：可分为强辐射型半导体气敏材料、磁场型半导体气敏材料和微波型半导体气敏材料。
二、气敏材料特性1. 电迁移动力学：气敏材料中的电子传输机制可用气体浓度来调节，从而达到调节传输效率的目的。
2. 电化学动力学：气敏材料电极可形成气体化合物，从而影响活性空位的形成和氧的迁移，从而对活性空位的分布应用给电极建立一个动力学模型。
3. 光电致化学反应动力学：当气体浓度在半导体光电致化学反应中发生变化时，会影响其光电子性能和电子性能，从而调节气体的传感特性。
4. 加热效应：当前半导体气敏材料的加热效应也会影响其气敏特性，一旦气体浓度发生变化，则会有加热的存在，对半导体的电化学性质和光电子性质有不同的影响。
三、半导体气敏材料的应用1. 传感器应用：气体传感器是使用气体敏感材料的产品，它们使用半导体气敏材料作为传感器检测气体浓度，从而实现智能环境的监测和控制，为实现更精确的检测精度提供依据。
2. 设备应用：采用半导体气敏材料可以制作超级小型、超级轻薄的传感器，这种传感器能够检测出范围更广的气体浓度，可以实现实时的气体浓度检测，为军事、安全领域提供有效的技术支持。
3. 药物检测：半导体气敏材料可用于检测药物或毒素的分子吸附特性，从而实现快速准确的检测，可以为药物检测提供大量的信息。
综上所述，半导体气敏材料具有多种气敏特性，并且可以根据不同应用领域中的不同要求，采用不同的外加激励，确定其气敏特性。
半导体气敏元件
第1期(总第128期)2005年2月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o 11Feb 1文章编号:167226413(2005)0120105203半导体气敏元件吴义炳(福建农林大学机电学院,福建 福州 350002)摘要:首先介绍半导体气敏元件的工作原理,然后从制备工艺、基材现状、测量方法三方面进行了综述。
关键词:半导体;气敏元件;制备工艺中图分类号:TN 304192 文献标识码:A收稿日期:2004209210作者简介:吴义炳(19742),男,福建南平人,助教,本科。
0 引言随着纳米技术的发展,与该项技术相结合的半导体气敏器件由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长及成本低等优点,被广泛应用于检测各种有害气体、可燃气体、工业废气和环境污染气体。
气敏元件是检测环境气氛中某种(或某类)气体存在及其含量的基础。
气敏元件性能与敏感材料的种类、结构及制作工艺密切相关。
本文首先简单介绍半导体气敏传感器的工作原理,然后着重从制备工艺、基材现状、测量方法三方面进行综合性论述。
1 半导体气敏元件的工作原理半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时产生的电导率等物性的变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附),失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向的气体有O 2和NO 2,称为氧化性气体或电子接收性气体。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H 2、CO 、碳氢化合物和酒类等,称为还原性气体或电子供给性气体。
半导体敏感元件(气敏)
焊有引线基筒
沈 阳 工 业 大 学
ZnO+添加剂 混合膏剂 电极涂覆
烧结
装加热器 老化
涂催化剂 封装
烧结 测试
初测
5.9 ZnO气体敏感元件气敏特性
Zn过剩的半导体，在催化剂的作用下， 吸附氧阻值增加，接触还原性气体，电阻值 下降。
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.10气体传感器的综合测试装置
注：加入催化剂（如铂，钯），降低化学吸附的激活能，有助于电子的转移和共有化过程
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.4 SnO2气体敏感元件特性参数 沈 阳 工 业 大 学
A元件电阻R0和Rs
例如：
2000ppm
正常空气条件下的阻值，和在规定浓度气体中的阻值。
B电阻比灵敏度K
Rs K R0
基本测量电路
4.金属氧化物的半导体化
人为在金属氧化物能带结构的禁带中形成或增加
沈 阳 工 业 大 学
附加能级的过程称为金属氧化物的半导体化。
MO晶体中的缺陷
4.金属氧化物的半导体化
沈 阳 工 业 大 学
Vo Vo e
电离能E1
Vo Vo2 e
电离能E2
氧空位起施主作用
Vm V h
5.表面电阻控制型气体敏感元件
5.2 SnO2气敏器件类型
(a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件 沈 阳 工 业 大 学
优点:工艺简单，成本低；
(a) 烧结型SnO2气敏器件 直热式气敏器件:
直热式和旁热式
缺点: 热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路互相影响。
UT U FB Uox 2 F
半导体气敏
半导体气敏传感器半导体气敏传感器是利用待检测气体与办导体表面接触时，产生的电导率等物理量性质变化来检测气体的。
并且，它具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
一、半导体气敏传感器的分类半导体气敏传感器有多种分类方法，主要一种是将其分为两类—电导控制型气敏传感器和电压控制气敏传感器。
其中电导控制型一般以金属氧化物半导体材料如SnO、ZnO、FeO 系为基体，加入合适的催化金属和添加剂，采用烧结、厚膜或薄膜工艺制成。
半导体气敏传感器包括硫化氢气敏传感器和一氧化碳气敏传感器两个敏感器件。
硫化氢气敏传感器是采用MOS场效应晶体管结构,利用过渡金属作栅极的气敏元件,当空气中存在硫化氢时,场效应晶体管的开启电压发生变化,变化的幅度与硫化氢的浓度成比例。
一氧化碳气敏传感器是利用以二氧化锡为基体的铂－锑－二氧化锡敏感材料制成的表面电阻控制型敏感器件,当空气中有微量的一氧化碳存在时,器件的电阻急剧下降。
该两种敏感器件灵敏度均≤10ppm;响应时间均≤0秒;感应时间均≤1秒。
二、半导体气敏传感器的原理当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，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而固定在吸附处。
当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，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。
具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON,等被称为氧化型气体或电子接收型气体。
如果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。
具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体。
半导体气敏元件有N型和P型之分。
N型材料有SnO2、ZnO、TiO型等，P材料有MoO2、CrO3等。
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气将使半导体载流子减少，而使电阻值增大;相反，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，使半导体电阻值下降。
气敏传感器的原理及应用精选全文
可编辑修改精选全文完整版气敏传感器的原理及应用半导体气体传感器：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组织发生变化而制成的。
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。
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走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。
[1]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。
非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。
它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。
由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。
利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
催化燃烧式传感器：可燃气体报警器的原理基本上都是催化燃烧式催化燃烧式气体传感器是采用惠斯通电桥原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理zui终显示可靠的数值。
电化学传感器：电化学传感器是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
QM-N5 型半导体气敏元件 说明书
气体传感器的特点：QM-N5型半导体气敏元件特点：用于可燃性气体的检测（ CH 4, C 4 H 10, H 3 等）灵敏度高、响应速度快、输出信号大、寿命长、工作稳定可靠。
MQR1003型可燃性气敏器件特点：具有灵敏度高，稳定性好，响应和恢复时间短，外型尺寸小的优点，它可用于可燃性气体和可燃性液体蒸汽及烟雾等的检测、检漏。
QM-J3型气敏元件特点：灵敏度高、响应速度好、寿命长、工作稳定可靠用于乙醇，酒精等有机液体蒸汽的检测、对汽油蒸汽且有抗干扰能力。
TP-1.1A 非加热甲烷气体传感器特点：低功耗、环境适应能力强（不怕油份子吸附）、对甲烷及液化石油气高度灵敏。
应用：煤矿瓦斯监测、工业甲烷、天然气监测等TP-2 一氧化碳气敏传感器特点：具微珠式结构，电导振荡响应，极好的选择性和良好的环境适应能力，应用电路简单，本质安全等特点。
应用：家用、车用一氧化碳探测器等。
TP-3 酒敏传感器特点：具微珠式结构，应用电路简单，灵敏感应空气中的酒精浓度的特点。
应用：应用于便携式酒精探测仪。
检测段В?50~10000ppm 酒精TP-4 空气污染传感器特点：具微珠式结构，应用电路简单，可探测空气中存在的低浓度氢气、一氧化碳、烟雾等气体。
应用：应用于空气清洁器、换气装置、空气质量监测等。
检测范围： 5~10000ppm 氢气报警器的特点:GD/JP/JZ/JF 系列燃气泄露报警器特点：用于检测范围广泛的易燃性气体，采用先进的 TP-1.1 常温型半导体气敏传感器； LED 指示工作状态、报警状态、故障状态；可提供开关量输出、脉冲输出等模式供选择；抗干扰能力强，适应环境能力强。
适用于有危险源的固定或易染性气体的监测，如家居厨房、燃气锅炉等GD-CF08W/GD-CF08W1 型家用一氧化碳报警器特点：用于检测单一一氧化碳气体，采用先进的 TP-2 常温型半导体气敏传感器； LED 指示工作状态、报警状态、故障状态；良好的气体选择性，适应能力强。
半导体气敏传感器概述、机理、结构和应用
2.含湿量，它表示每千克干空气所含有的水蒸
气量，单位是千克/千克·干空气;
3.相对湿度，表示空气中的绝对湿度与同温度
下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比
。(也就是指在一定时间内，某处空气中所含水
汽量与该气温下饱和水汽量的百分比，用RH表
示。
35
2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳
半导体气 敏 传 感 器概述、机 理、结构和应用
一、概述 二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
2
1.气 敏 传 感 器
一、概述 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和
成分的传感器。由于气体种类繁多, 性质各不 相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气 体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多， 按构成气敏传感器材料类别可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体 气敏传感器。
15
1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2 半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2 材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长； 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材 料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一 定限制。
气敏电阻的原理及应用
气敏电阻的原理及应用1. 气敏电阻的原理气敏电阻是一种利用敏感薄膜材料的电学性质对气体浓度的变化进行检测的电子元件。
它是一种半导体材料，其电阻值随环境气体的浓度变化而变化。
其原理基于气体分子与敏感薄膜表面发生化学反应，导致电荷传输和电阻的变化。
气敏电阻的工作原理主要分为两种类型：电导型和电容型。
电导型气敏电阻的电阻值随着气体浓度的增加而增加，而电容型气敏电阻则是通过测量电容的变化来检测气体浓度变化。
2. 气敏电阻的应用气敏电阻由于其灵敏度高、响应速度快、结构简单等特点，在许多领域得到了广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：•环境检测：气敏电阻可以用于检测室内空气中的有害物质浓度，如一氧化碳（CO）、甲醛（HCHO）等。
在工业环境中，也可以用气敏电阻来监测有毒气体的泄漏，以确保工人的安全。
•汽车工业：气敏电阻可以用于汽车尾气排放的监测，帮助检测尾气中有害物质的浓度，以达到环保的要求。
•安防系统：气敏电阻可以用于煤气泄漏检测和火灾预警。
当检测到煤气泄漏或火焰时，气敏电阻会产生相应的信号，触发警报或采取其他安全措施。
•医疗应用：气敏电阻可以用于呼吸器等医疗设备中，检测呼吸气体成分的变化，监测患者的呼吸状态。
3. 气敏电阻的优点和局限性气敏电阻具有如下优点：•灵敏度高：气敏电阻对环境气体浓度的变化非常敏感，可以实时检测到微小的浓度变化。
•响应速度快：气敏电阻的相应时间非常短，当环境气体发生变化时，可以迅速产生响应。
•结构简单：气敏电阻的结构和制造成本相对较低，易于批量生产。
然而，气敏电阻也存在一些局限性：•选择性差：气敏电阻对不同气体的选择性较差，容易受到其他气体的干扰，可能导致误检；•寿命短：由于敏感薄膜材料易受氧化和腐蚀，因此气敏电阻的使用寿命较短，需要定期更换。
4. 如何选择气敏电阻当选择气敏电阻时，有几个关键因素需要考虑：•检测气体：确定需要检测的目标气体是什么。
不同的气敏电阻对不同气体的响应不同，因此需要根据具体应用来选择合适的气敏电阻。
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图1式中,m,n为常数,m代表器件相对于气体浓度变化的敏感性, n与检测气体灵敏度有关,随元件材料、气体种类而异,并随测
试条件而有所不同(图1. 1-24只元件在Vc=10V VH=5V 20度65%RH时对甲烷（CH4）的反应数据。)
从图1可以看出,器件在低浓度下输出曲线陡,而高浓度下,曲线较平缓,并趋于饱和.这一特点,非常适宜检测低浓度微量气体.
由于制造原理及生产工艺的影响,半导体气敏元件具有较大的离散性，表现为元件在洁净空气中的电阻R0分布在一较大的范围
内，Ro相同的器件,其灵敏度S=Rs/Ro却不一定相同，如图2。由此导致同一型号的传感器互换性差，这是一个普遍存在的问
题,供货时一般通过分档筛选使Ro、S处于一较小的范围内，但仍有一定的的离散性，所以应用时仍需逐只进行标定校准。
命可达3年以上。如图4所示
长期工作稳定性:
半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达3年以上。如图4所示
标定气样的配制及校准试验装置
由于气敏元件性能易受到温湿度、干扰气体等外界条件的影响，应用产品在测试标定时须在专用的试验箱内提供相对标准的气
半导体气敏元件的应用特性
灵敏度特性
气敏元件的灵敏度特性,是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能,其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即器件电阻与检测气体浓度大都具有如下关系: log Rs = m log C + n
图2
图3
温湿度特性：
半导体气敏元件敏感原理是基于敏感体表面的吸附反应,所以易受环境温度、湿度影响,如图2，由于气敏器件与环境温湿度有一
定依赖关系,所以在需要较高精度和可靠性的应用中,在电路中要加入温湿度补偿.湿度传感器的昂贵价格限制了湿度补偿的采用，
一般仅作温度补偿即可取得较好效果。图3给出了硬件进行温度补偿的参考电路。也可采用MCU进行数据查表补偿。
不要让管脚受过大的外力,以免其变形、扭曲.
不要向防爆网罩上施加外力以免其变形.
如果需要精确的测量,如在工业应用等方面,则需定期校准(每年至少一次).
不要将元件拆分或改变它的任一部分，在金属网罩损坏的情况下不要使用.否则在测试爆炸极限内可以引起爆炸或火灾.
只能在指定的条件或气氛中使用，如果要将气敏器件用在(或存放在)特殊的环境或气氛中,请与我们联系.
勿使元件长时间接触高浓度的可燃气体，否则可能导致灵敏度快速衰减。
氛条件（洁净空气、标定气样），以提高测量的准确性、可靠性。
试验箱试验箱容积视测试样机体积、数量而定，一般一只气敏元件所占容积要大于1升。试验箱材料宜选用与气体不发生反应
的金属或玻璃，在通常要求下，有机玻璃也可。试验箱形状可做成圆形或方形，箱内应有一搅拌风扇以加速气体混合均匀，但应
注意气流不可直吹气敏元件，以免影响元件工作温度。对于测量液体蒸汽的项目，试验箱内还应设液体蒸发器。为了排除试验箱
内残留气体，还应设有排气扇，其排气能力要求每分钟排气量大于试验箱容积的10倍。
洁净空气一般要求不高的测试，可以取清洁的室内外空气作为“洁净空气”；对于要求高的精密测量，可采用纯净的氮气和氧气
混合模拟清净空气。此时，只要再对混合气的温度、湿度加以控制，即可作为测试用的洁净空气。
标定气样一般情形下，由试验箱容积和注入气箱的标准气体体积，可直接计算出气体浓度，计算方法如下：
加热特性:
半导体气敏元件需要在加热状态下工作,加热温度影响器件的性能,加热功率变化,元件电阻及灵敏度也相应的有所变化，所以传
感器的工作电源应使用稳压电源。
初期恢复特性:
气敏元件在不通电状态下存放后,再通电时并不能立即投入正常工作,其电阻值会有一段急剧变化过程,而后趋于稳定.其如图4。
元件由通电至趋于稳定的时间称为初期恢复时间。初期恢复时间与元件种类、存放时间和存放环境状态有关；一般不通电存
测量气体时：v=[V×c×10-6（273+TR）]/（273+TB）
测量液体蒸汽时：v=V×c×M×（273+TR）×10-9/[22.4×d×P×(273+TB)]
式中，v为需注入标准气体或液体体积（ml），
V为试验箱容积（ml），
c为欲配制气体或液体蒸汽浓度（ppm），
M为液体分子量（g），d为液体比重（g/cm3），
放时间长,初期恢复时间亦长，但一般都在5分钟以内。由于这种影响使得气体检漏仪或报警器在通电初期即使没有检测气体
时,也会触发报警,即所谓通电初期误动作.为此,在设计报警器电路时,可采取适当措施,设法消除这种误动作现象或避免这种影响.
如设置延时取样电路.
半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿
p为液体纯度（质量百分比），
TR为室温（℃），TB为试验箱内温度（℃）。
在精确测量时，还应采用红外浓度计或光干涉式浓度计测定气体浓度
灵敏度调整步骤
将气敏元件应用产品在额定工作条件下通电老化一段时间(不少于1小时，最好24小时以上)以使元件阻值充分稳定.
将应用产品放入试验箱，按体积要求用取样器（可用医用注射器）注入要测试的气体或液体于试验箱内形成标定气样
调节可变电阻等电路预设机构使应用产品刚好触发（如报警）。
将测试气体用排气扇从试验箱内排出.
重复2-4，确认应用产品刚好触发。
注意事项
最好老化48小时以后再进行气体灵敏度的标定
灵敏度标定须在无干扰气体的环境பைடு நூலகம்进行.
气敏元件在不通电状态下长时间置于高湿环境中,将需要较长时间才能使其稳定.
气敏元件有良好的抗震能力,但也不要让其受到过分的震动.