电化学气体传感器ppt课件
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(优质)电化学传感器PPT课件
通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正、负极间 流动。测量该电流即可确定气体浓度。在实际中，由于电极表面连续发生电 化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致 传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。参考电极安装 在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电 极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体 分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接 相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气 体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气 体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：
《电化学传感器》PPT课件
❖为了缩短传感器的响应时间，一般采用多 孔的透气膜来研制气体扩散电极，此时气 体在催化剂外表液膜中的扩散将代替气体 在透气膜中的扩散而成为电极反响的控制 步骤。尽管液膜很薄，但由于气体在液相 中的扩散速度较慢，液膜便成为缩短传感 器响应时间的主要障碍。对于电流型气体 传感器这是无法抑制的缺点。目前90％该 类型传感器的响应时间在30s以内。
所以，当前传感器开发研究的重要之 一就是开发具有识别分子功能的优良 材料。
❖ 化学传感器依据其原理可分为：
(1)电化学式，(2)光学式，(3)热学式，(4) 质量式。
❖ 电化学传感器是化学传感器的一种。
电化学传感器分为电位型、电流型和 电导型三类。
§7.1 电位型传感器
❖电位型传感器通过测定电极平衡电位的值来确 定物质的浓度。
❖如将离子选择性电极与甘汞电极组成电池， 那么电池电动势为：
❖根据7-3式，只要配制一系列浓度的标准溶 液，并以测得的电动势E值与相应的浓度 〔对数〕值绘制校正曲线，即可按一样步骤 求得未知溶液中待测离子的浓度。
❖ 对于电位-PH计，只是把所有过程完成后， 直接显示酸度。
❖电流型电化学气体传感器有许多种已经商 品化，用于检测20余种气体。例如，煤矿 瓦斯、酒精、锅炉尾气〔排放是否达标、 燃烧是否充分〕等等。
2．控制电位电解型(电流型)气体传感器的工作 原理
〔1〕通过测定一定电位下的电流，间接测定 电解质溶液中待测气体的溶解浓度
〔2〕待测气体在一定条件下在这种电解质溶 液中的溶解度与其分压相关，从而得到这种 气体的浓度〔分压〕。
灵敏度是电化学传感器的一个重要的特性指 标，一些特殊行业如室内空气监测，海关 检查走私、违禁物品(药品，炸弹或其他易 燃易爆品)时，要求能检测10-9~10-12数 量级，甚至更低的物质浓度。电化学传感 器的灵敏度受许多因素的影响：
硫化氢电化学传感器精选 课件
总反应为 ������2S+2O2=H2SO4.
实验部分
基本性能 测试
������2S 气体传感器在 不同体积分数下的
气体响应曲线
线性测试
电流转换成电压输 出
温度测试
输出电压与气体体 积分数是线性相关
几种特定统计工具对传感器性能进行研究
• 先判断数据是否服从正态分布, 按照“统计 →基本统计量 → 正态性检验”来操 作, 从绘制出的概率图中可以获得一个 P 值, 若 P > 0.05, 则数据服从正态分布.
气体反应传感器采用电化学式H2S气敏传感器ME3，用来采集气
体信号，通过I/V转换，而后经过放大电路放大，输入给A/D （模拟数字转换器），经A/D转换后再进行处理。
电极反应过程如下:
工作电极������2S+4������2O=H2SO4+8H++8e−;
对电极为 8H++2O2+8e−=4H2O;
意义
H2S 是一种无色、 易燃、 有臭鸡蛋味的气体, 作为一种剧毒性物质, 对人体具有 一定的危害性, 因此监测 H2S 的浓度对人体健康有着重要意义.
选用统一的检测工具对传感器进行评估意义重大. 六西格玛统计工具能够运用界 定、 测量、 分析、 改进和控制模式, 对传感器性能进行有效评估, 使传感器的评 估过程更标准化和流程化, 并能结合相关资源提高企业的盈利水平及竞争能力。
六西格玛（Six Sigma，6 Sigma）是一种管理策略，它是由摩托罗拉提出的。这 种策略主要强调制定极高的目标、收集数据以及分析结果，通过这些来减少产品 和服务的缺陷。六西格玛背后的原理就是如果你检测到你的项目中有多少缺陷， 你就可以找出如何系统地减少缺陷，使你的项目尽量完美的方法。
实验部分
基本性能 测试
������2S 气体传感器在 不同体积分数下的
气体响应曲线
线性测试
电流转换成电压输 出
温度测试
输出电压与气体体 积分数是线性相关
几种特定统计工具对传感器性能进行研究
• 先判断数据是否服从正态分布, 按照“统计 →基本统计量 → 正态性检验”来操 作, 从绘制出的概率图中可以获得一个 P 值, 若 P > 0.05, 则数据服从正态分布.
气体反应传感器采用电化学式H2S气敏传感器ME3，用来采集气
体信号，通过I/V转换，而后经过放大电路放大，输入给A/D （模拟数字转换器），经A/D转换后再进行处理。
电极反应过程如下:
工作电极������2S+4������2O=H2SO4+8H++8e−;
对电极为 8H++2O2+8e−=4H2O;
意义
H2S 是一种无色、 易燃、 有臭鸡蛋味的气体, 作为一种剧毒性物质, 对人体具有 一定的危害性, 因此监测 H2S 的浓度对人体健康有着重要意义.
选用统一的检测工具对传感器进行评估意义重大. 六西格玛统计工具能够运用界 定、 测量、 分析、 改进和控制模式, 对传感器性能进行有效评估, 使传感器的评 估过程更标准化和流程化, 并能结合相关资源提高企业的盈利水平及竞争能力。
六西格玛（Six Sigma，6 Sigma）是一种管理策略，它是由摩托罗拉提出的。这 种策略主要强调制定极高的目标、收集数据以及分析结果，通过这些来减少产品 和服务的缺陷。六西格玛背后的原理就是如果你检测到你的项目中有多少缺陷， 你就可以找出如何系统地减少缺陷，使你的项目尽量完美的方法。
《气体传感器简介》课件
复合材料
通过组合不同材料的优点 ，实现气体传感器性能的 优化。
智能化与网络化的发展
智能化
通过集成微处理器和算法，实现气体 传感器的自动校准、数据分析和远程 控制等功能。
网络化
将气体传感器接入互联网，实现数据 的实时传输、远程监控和跨区域的数 据共享。
在环保监测领域的应用前景
大气污染监测
用于监测空气中的有害气 体和温室气体，为环境保 护提供数据支持。
详细描述
电化学气体传感器利用气体在电极表面发生的电化学反应来检测气体的浓度。这种传感器通常由至少两个电极组 成，其中一个电极是敏感电极，能够与被测气体发生反应，另一个电极作为参照电极。通过测量电化学反应产生 的电流或电压来计算气体的浓度。
光学气体传感器
总结词
基于不同气体对光的吸收或反射不同的原理进行检测。
详细描述
光学气体传感器利用不同气体对特定波长的光具有不同的吸收或反射特性，通过测量光通过气体时发 生的变化来检测气体的浓度。这种传感器通常由光源、光路和检测器组成，通过测量光强的变化来计 算气体的浓度。
固态电解质气体传感器
总结词
基于气体在固态电解质中的离子传导性 能不同的原理进行检测。
VS
详细描述
工作原理
电化学传感器
利用电化学反应检测气体，通 过测量电流或电压变化来推断
气体浓度。
半导体传感器
利用气敏材料的电阻变化来检 测气体，当气体与敏感材料接 触时，电阻发生变化，从而检 测气体浓度。
红外传感器
利用红外线吸收原理检测气体 ，通过测量气体对红外线的吸 收程度来推断气体浓度。
催化燃烧传感器
利用催化燃烧原理检测气体， 当气体与敏感材料接触时，发 生催化燃烧反应，从而检测气
气体传感器介绍 ppt课件
称为该气体或蒸气的爆炸下限。 ppm：百万分之一。 ppb：十亿分之一。
专业成就卓越
部分可燃性气体、液体爆炸分类表
气体名称
甲烷 丙烷 乙烯 氢气 一氧化碳 天然气 液化石油气 城市煤气 煤油 乙醇 丙酮 甲醛 苯
爆炸极限(%)
下限
上限
5
15
2.2
9.5
3.1
32
4.0
75
12.5
74
5
15
物理类气体传感器:光电传感器、热电传感器、 压电传感器、磁电传感器、气电传感器、波 式和射线射线传感器等。
3、气体传感器常用术语
专业成就卓越
灵敏度：元件在规定的工作条件下，其在一定的气体浓度下的输出（电压、电流、 电阻等，下同）与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值。
响应时间：传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值的规定 的百分比（一般为70%或90%）时所需的时间。
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0
0
MMQQ--44S对 甲甲 烷烷响的应响恢应复恢曲复曲 线线
3
4
30
0.7
5
3.3
19
2.15
13
7
73
1.2
8
比重 (空气=1)
0.55 1.56
0.069 0.967
<1 >1 0.4 4∽5 1.59 2.0
发火点 537.8 467.8 585 608
210 363
4、气体传感器应用实例
专业成就卓越
重庆川东油田井喷 死300-人
2003年12月23日22 时许，重庆市开 县境内川东北气 矿一矿井发生天 然气井喷事故， 造成人员严重伤 亡。
专业成就卓越
部分可燃性气体、液体爆炸分类表
气体名称
甲烷 丙烷 乙烯 氢气 一氧化碳 天然气 液化石油气 城市煤气 煤油 乙醇 丙酮 甲醛 苯
爆炸极限(%)
下限
上限
5
15
2.2
9.5
3.1
32
4.0
75
12.5
74
5
15
物理类气体传感器:光电传感器、热电传感器、 压电传感器、磁电传感器、气电传感器、波 式和射线射线传感器等。
3、气体传感器常用术语
专业成就卓越
灵敏度：元件在规定的工作条件下，其在一定的气体浓度下的输出（电压、电流、 电阻等，下同）与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值。
响应时间：传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值的规定 的百分比（一般为70%或90%）时所需的时间。
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0
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MMQQ--44S对 甲甲 烷烷响的应响恢应复恢曲复曲 线线
3
4
30
0.7
5
3.3
19
2.15
13
7
73
1.2
8
比重 (空气=1)
0.55 1.56
0.069 0.967
<1 >1 0.4 4∽5 1.59 2.0
发火点 537.8 467.8 585 608
210 363
4、气体传感器应用实例
专业成就卓越
重庆川东油田井喷 死300-人
2003年12月23日22 时许，重庆市开 县境内川东北气 矿一矿井发生天 然气井喷事故， 造成人员严重伤 亡。
气电式传感器资料课件
敏感元件通常由一种特殊的金属氧化物制成，这种金属氧化物对某些气体成分具有 很高的敏感度。
敏感元件的形状和大小会影响其响应速度和灵敏度。
测量电路
测量电路通常由一个恒电位电源、一个负载电阻和敏 感元件组成。
测量电路是用来将敏感元件的物理变化转化为电信号 的电路。
当敏感元件受到被测气体的影响时，其阻值会发生变 化，从而引起负载电阻上的电压变化。这个电压变化 就可以被用来进行进一步的处理和输出。
气电式传感器通常由敏感元件、转换元件和信号处理电路组 成，敏感元件用于感受被测参数的变化，转换元件将变化转 换成电信号输出，信号处理电路对输出信号进行放大、滤波、 线性化等处理。
气电式传感器的工作原理
01
气电式传感器的工作原理是基于 气体分子吸附在敏感材料上会引 起材料电阻、电容等物理性质的 变化，从而引起电信号的变化。
在化工领域，气电式传感器可以用于监 测化工原料的成分和流量，提高生产效 率和产品质量。
在环保领域，气电式传感器可以用于监 测大气中的污染物浓度，为空气质量监 测提供数据支持。
在能源领域，气电式传感器可以用于测 量燃气流量和燃气泄漏，保障能源安全。
02
气电式传感器技术特点
灵敏度高
气电式传感器采用先进的电子元件和 信号处理技术，具有高灵敏度，能够 检测微小的气体浓度变化。
高度集成与智能化
未来的气电式传感器将朝着高度 集成和智能化的方向发展，实现 多参数同时检测、远程传输和自
诊断等功能。
微型化与便携化
为了满足移动性和现场快速检测的 需求，气电式传感器将逐渐向微型 化和便携化方向发展。
互联网+物联网
结合互联网和物联网技术，实现传 感器数据的实时传输、远程监控和 共享，提高传感器应用的范围和效果。
敏感元件的形状和大小会影响其响应速度和灵敏度。
测量电路
测量电路通常由一个恒电位电源、一个负载电阻和敏 感元件组成。
测量电路是用来将敏感元件的物理变化转化为电信号 的电路。
当敏感元件受到被测气体的影响时，其阻值会发生变 化，从而引起负载电阻上的电压变化。这个电压变化 就可以被用来进行进一步的处理和输出。
气电式传感器通常由敏感元件、转换元件和信号处理电路组 成，敏感元件用于感受被测参数的变化，转换元件将变化转 换成电信号输出，信号处理电路对输出信号进行放大、滤波、 线性化等处理。
气电式传感器的工作原理
01
气电式传感器的工作原理是基于 气体分子吸附在敏感材料上会引 起材料电阻、电容等物理性质的 变化，从而引起电信号的变化。
在化工领域，气电式传感器可以用于监 测化工原料的成分和流量，提高生产效 率和产品质量。
在环保领域，气电式传感器可以用于监 测大气中的污染物浓度，为空气质量监 测提供数据支持。
在能源领域，气电式传感器可以用于测 量燃气流量和燃气泄漏，保障能源安全。
02
气电式传感器技术特点
灵敏度高
气电式传感器采用先进的电子元件和 信号处理技术，具有高灵敏度，能够 检测微小的气体浓度变化。
高度集成与智能化
未来的气电式传感器将朝着高度 集成和智能化的方向发展，实现 多参数同时检测、远程传输和自
诊断等功能。
微型化与便携化
为了满足移动性和现场快速检测的 需求，气电式传感器将逐渐向微型 化和便携化方向发展。
互联网+物联网
结合互联网和物联网技术，实现传 感器数据的实时传输、远程监控和 共享，提高传感器应用的范围和效果。
电化学传感器PPT课件
编辑版pppt
5
二、电化学分析法分类
电位分析法（电极电位）
直接电位法: 电极电位与溶液中电活性物质 的活度有关。
电位滴定: 用电位测量装置指示滴定分析过 程中被测组分的浓度变化。
研制各种高灵敏度、高选择性的 电极是电位分析法最活跃的研究 领域之一。
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6
电解与库仑分析法（电量）
电解分析:
7
极谱与伏安分析(电流－电压曲线)
伏安分析：通过测定特殊条 件下的电流—电压曲线来分析 电解质的组成和含量的一类分 析方法的总称。
极谱法：使用滴汞电极的一 种特殊的伏安分析法。
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8
循环伏安法（CV）
• 循环伏安法可用于研究化合物电极过程的机理、双电层、吸附现象 和电极反应动力学．成为最有用的电化学方法之一。
• 对于符合Nernst方程的可逆电极反应，在25℃时：
编辑版pppt
11
电导分析法（电导）
普通电导法：高纯水质测定，弱酸测定 高频电导法：电极不与试样接触
编辑版pppt
12
计时分析法(chronoanalysis)
在电分析化学中，记录电流或电极电势等与时间的关系 曲线的方法称为计时分析法．
• 记录电流一时间的关系方法，称为计时电流法． • 记录电势一时间的关系方法，称为计时电势法。 • 记录电量一时间关系的方法，称为计时库仑法。 是研究电极过程和吸附的极好方法。
编辑版pppt
18
如何实现信号转化
电化学传感器就是将分析对象的化学信息转换成电 信号的传感装置。从1906年第一支化学传感器产生 以来，大半个世纪中化学传感器的信号转换均集中 在将化学信息直接以电信号（如电流、电位、电阻 等）表达的方式上。
气体电化学传感器PPT课件
B.电极：电极材料一般为催化材料，能够长时间内执行半电解反应。通常电 极采用贵金属制造，如铂或进，在催化后与气体分子发生有效反应。根据 传感器类型的不同，
C.电解质：电解质必须有能够促进电解反应，有效将离子电荷传送到电极 的能力。电解质与参考点击形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料 兼容。若电解质蒸发太迅速，传感器信号将减弱。
第4页/共25页
恒定电位电解池型气体传感器
工作过程：
（1）被测气体进入传感器的气室：通过气体扩散或机械泵；先经 过一个过滤器---提高选择性。
（2）反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向电极-电解液 界面扩散：工作电极一般不暴露在外，所以气体先经过多孔膜；多 孔膜的作用：防止泄漏，给电极提供结构支持，再次提高选择性。
• 氧气进入膜后在电极ຫໍສະໝຸດ 面迅速还原，外电路检测的氧气还原电流正比 氧气的浓度。
第11页/共25页
伽伏尼电池型气体传感器：
• Clark电极是一种封闭式电极，它用一疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测的氧可以通过透气膜 扩散到电极内，而待测溶液中的其他杂质不能透过，这样可以有效地防止电极被待测溶液中某些组分污染而 中毒。
（3）电活性物质在电解液中的溶解：气体在电解液中的溶解速率 在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应时间。
（4）电活性物质在电极表面吸附：待测气体扩散到催化剂电极表 面发生氧化或还原反应，氧化或还原反应速率的大小与气体在电极 表面的吸附密切相关。
（5）扩散速度下的电化学反应：当扩散步骤为速率控制步骤时， 整个反应可以由Cottrell方程描述。
第7页/共25页
恒定电位电解池型气体传感器
应用实例：
一种基于CAN总线的CO气体监测系统
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.
(1) MOS二极管气敏器件
MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用 热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然 后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图145(a)所示。
M(Pd) SiO2 P—Si
C
Ca
氢气中
空气中
Cs
O
V
(a)
(b)
(c)
图 14-5 MOS二极管结构和等效电路
(a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
.
14.3 半导体气敏元件的特性参数
（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏
元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在
(103～105)Ω范围。
测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于
.
14.2 半导体气体传感器。
半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接 触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导 体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控 制型。 表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生 电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化， 但内部化学组成不变； 体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成 发生变化，而使. 电导率变化。
.
器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
.
14.2.2
1. 电阻型半导体气体传感器
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应
（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
加热极兼电极
SnO2烧结体
3
41
3
1
2
4
2
(a)结构
(b)符号
直接加热式气敏器件结构及符号
.
由芯片(敏感体和加热器)，基 座和金属防爆网罩三部分组成 。 因其热容量小、稳定性差，测 量电路与加热电路间易相互干 扰，加热器与SnO2基体间由于 热膨胀系数的差异而导致接触 不良，造成元件的失效，现已 很少使用。
10
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极
6
1
4
加热器电阻值一
2
3 般为30Ω～40Ω
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
Ø18.4 100目不锈钢网
45°
4 3
5
23
2
6
45°
17
Ø1
7
气.敏元件外形和引出线分布
11
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。 MOS 二 极 管 的 电 容 — 电 压 特 性 的 变 化 以 及 MOS 场 效 应 晶 体 管 (MOSFET) 的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。 由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能 稳定且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别 敏感。
14.2 半导体气体传感器。
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非 电阻型。 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时， 其阻值变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极 管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测 被测气体的。
.
14.2.1 半导体气体传感器的机理 半导体气体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）。
经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大， 即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行 测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气 环境中进行测量。
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15
（2）气敏元件的灵敏度 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
✓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14章气体传感器
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14.1 概述
14 气 体 传 感 器
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量 输出的装置或器件。
气体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，按构成气体传感器材料可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器。
用最广泛性。
半导 体 0.5 mm 电极
电极(铂丝) 氧化物半导体
3 mm
0.6 mm
加热 器
玻璃 (尺寸 约1 mm，也有 全为 半导 体的 )
(a)
图14-2 (a) .烧结型元件；
加热器 电极 3 mm
(b)
(b) 薄膜型元件
绝缘 基片
0 .5 (单位 : mm)
33
氧化 物半 导体 P t 电极 氧化 铝基 片
.
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半 导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。 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，使半导体电阻值下降。 由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是 恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值 也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的 种类和浓度。 N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
7
器件 加热 用的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型元件
.
烧结型SnO2气敏元件
其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材
料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于 检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分 为直接加热式和旁热式两种。
(1) MOS二极管气敏器件
MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用 热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然 后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图145(a)所示。
M(Pd) SiO2 P—Si
C
Ca
氢气中
空气中
Cs
O
V
(a)
(b)
(c)
图 14-5 MOS二极管结构和等效电路
(a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
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14.3 半导体气敏元件的特性参数
（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏
元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在
(103～105)Ω范围。
测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于
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14.2 半导体气体传感器。
半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接 触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导 体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控 制型。 表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生 电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化， 但内部化学组成不变； 体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成 发生变化，而使. 电导率变化。
.
器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
图 14-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
.
14.2.2
1. 电阻型半导体气体传感器
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应
（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
加热极兼电极
SnO2烧结体
3
41
3
1
2
4
2
(a)结构
(b)符号
直接加热式气敏器件结构及符号
.
由芯片(敏感体和加热器)，基 座和金属防爆网罩三部分组成 。 因其热容量小、稳定性差，测 量电路与加热电路间易相互干 扰，加热器与SnO2基体间由于 热膨胀系数的差异而导致接触 不良，造成元件的失效，现已 很少使用。
10
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极
6
1
4
加热器电阻值一
2
3 般为30Ω～40Ω
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
Ø18.4 100目不锈钢网
45°
4 3
5
23
2
6
45°
17
Ø1
7
气.敏元件外形和引出线分布
11
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。 MOS 二 极 管 的 电 容 — 电 压 特 性 的 变 化 以 及 MOS 场 效 应 晶 体 管 (MOSFET) 的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。 由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能 稳定且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别 敏感。
14.2 半导体气体传感器。
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非 电阻型。 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时， 其阻值变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极 管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测 被测气体的。
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14.2.1 半导体气体传感器的机理 半导体气体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）。
经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大， 即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行 测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气 环境中进行测量。
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（2）气敏元件的灵敏度 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
✓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14章气体传感器
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14.1 概述
14 气 体 传 感 器
气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量 输出的装置或器件。
气体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，按构成气体传感器材料可分为半导体和非 半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器。
用最广泛性。
半导 体 0.5 mm 电极
电极(铂丝) 氧化物半导体
3 mm
0.6 mm
加热 器
玻璃 (尺寸 约1 mm，也有 全为 半导 体的 )
(a)
图14-2 (a) .烧结型元件；
加热器 电极 3 mm
(b)
(b) 薄膜型元件
绝缘 基片
0 .5 (单位 : mm)
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氧化 物半 导体 P t 电极 氧化 铝基 片
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当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半 导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。 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，使半导体电阻值下降。 由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是 恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值 也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的 种类和浓度。 N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
7
器件 加热 用的加 热器 (印制 厚膜 电阻 )
(c)
(c) 厚膜型元件
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烧结型SnO2气敏元件
其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材
料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于 检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分 为直接加热式和旁热式两种。