mos场效应管在气体传感器中的应用
各类气体传感器的原理、结构及参数
各类气体传感器的原理、结构及参数气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。
从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。
探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。
气体种类繁多，性质各异，因此，气体传感器种类也很多。
按待检气体性质可分为：用于检测易燃易爆气体的传感器，如氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等；用于检测有毒气体的传感器，如氯气、硫化氢、砷烷等；用于检测工业过程气体的传感器，如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳；用于检测大气污染的传感器，如形成酸雨的NOx、CH4、O3，家庭污染如甲醛等。
按气体传感器的结构还可分为干式和湿式两类；按传感器的输出可分为电阻式和费电阻式两类；按检测院里可分为电化学法、电气法、光学法、化学法几类。
半导体气体传感器半导体气体传感器可分为电阻型和非电阻型(结型、MOSFET型、电容型)。
电阻型气敏器件的原理是气体分子引起敏感材料电阻的变化；非电阻型气敏器件主要有M()s二极管和结型二极管以及场效应管(M()SFET)，它利用了敏感气体会改变MOSFET开启电压的原理，其原理结构与ISFET离子敏传感器件相同。
电阻型半导体气体传感器作用原理人们已经发现SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在气敏效应。
用这些金属氧化物制成的气敏薄膜是一种阻抗器件，气体分子和敏感膜之间能交换离子，发生还原反应，引起敏感膜电阻的变化。
作为传感器还要求这种反应必须是可逆的，即为了消除气体分子还必须发生一次氧化反应。
传感器内的加热器有助于氧化反应进程。
SnO2薄。
二硫化钼及其复合材料的制备与应用
二硫化钼及其复合材料的制备与应用二硫化钼（MoS2）是一种典型的层状二维材料，具有优异的电学、光学、力学和化学性质。
MoS2在电子学、光电子学、化学传感器等领域具有广阔的应用前景。
本文主要介绍MoS2及其复合材料的制备和应用。
1. MoS2的制备方法MoS2的制备方法主要有三种：机械剥离法、气相化学气相沉积法（CVD）和气相沉积-结晶法。
（1）机械剥离法机械剥离法是一种简单易行的制备方法。
将天然MoS2矿物进行机械剥离，可以得到单层或多层MoS2。
该方法制备的MoS2具有宽带隙，适合制备场效应晶体管和光电器件。
但机械剥离法的缺陷在于MoS2表面容易产生化学反应，导致在制备过程中MoS2的物理化学性质改变。
（2）气相化学气相沉积法气相化学气相沉积法是一种制备高质量MoS2的方法。
该方法使用Mo和S的前体化合物，如Mo(CO)6和(DMT)2S，通过化学反应制备MoS2。
CVD法可控制MoS2的厚度和形状，得到高质量MoS2，具有优异的电学性质。
（3）气相沉积-结晶法气相沉积-结晶法是一种新型的MoS2制备方法。
该方法通过等离子体化学气相沉积，在Silicon衬底上生长MoS2薄膜，在高温环境下结晶。
该方法制备的MoS2具有非常高的结晶度，垂直于衬底的MoS2纳米片数量高达10层。
这种高质量MoS2具有极佳的电学和光学性质。
2. MoS2的应用MoS2具有较大的比表面积、良好的吸附性能和优异的光学性能，被广泛应用于传感器、光电器件和催化剂等领域。
（1）传感器应用MoS2能够通过吸附分子，在表面产生多种物理化学性质的变化，因此被广泛应用于气体传感器和化学传感器。
在气体传感器中，MoS2可以吸附NH3、NO2、CO、H2等气体，能够实现高灵敏度和高选择性的检测。
在化学传感器中，MoS2可以吸附Na+、K+等离子体，实现高精度的离子浓度检测。
（2）光电器件应用MoS2具有可调谐的光电性质，在光电器件中具有广泛的应用前景。
气敏传感器
• 缺点：
– 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。
SnO2半导体气敏元件特点
（1）气敏元件灵敏度特性 烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对 气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件 的阻值RC 与空气中被测气体的浓度C成对 数关系： log RC＝m logC+n 式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料 和气体种类不同而变化外，还会由于测量 温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。 m为气体的分离度，随气体浓度变化而变 1 化，对于可燃性气体， m 1 。
气敏传感器的分类
类 型 原 理 检测对象
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
特
点
半导体式
若气体接触到加热的金属 氧化物(SnO2 、Fe2O3 、ZnO2 等)， 电阻值会增大或减小
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例 输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
接触燃烧式
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
还 原型
吸 气时
图 7-20 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
规则总结：
• 氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降， 电阻增加 • 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加， 电阻减小 • 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加， 电阻减小 • 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
7.2.3 半导体气敏传感器类型及结构
7.2 气 敏 传 感 器
7.2.1 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。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信 号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境
二维单质材料及其在气体传感器中的应用
36新技术·新业务·行业应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2024.03.009二维单质材料及其在气体传感器中的应用［吴家隐 刘志发 陈浩东 梁同乐 李先绪］二维材料具有了高载流子迁移率、电导率和热导率等优点，因此成为目前研究的热点。
近几年,随着石墨烯、磷烯、锑烯、碲烯以及锡烯等二维单质材料的兴起,越来越多的报道证明了二维单质材料用于气体传感的可行性与选择性探测的潜力。
二维单质材料可以降低敏感材料的维度,提高比表面积，进而极大的增加了气体传感器的灵敏度，能够在相对较低的温度下提供实时、在线的气体传感。
总结了近些年二维单质材料的最新研究进展,介绍二维单质材料的反应机理及其优势和特点,最后对该研究方向的发展进行了展望。
吴家隐广东邮电职业技术学院，副研究员，博士研究生，研究方向：物联网、传感器。
刘志发广东邮电职业技术学院，大专，研究领域：人工智能。
陈浩东广东邮电职业技术学院，大专，研究领域：人工智能。
梁同乐广东邮电职业技术学院，副教授，研究领域：云计算。
李先绪中国电信股份有限公司研究院，高级工程师，硕士。
关键词：二维单质材料 气体传感 石墨烯 磷烯 锑烯 碲烯 锡烯摘要1 引言随着工业化的推进和经济的发展，化石燃料大量消耗，污染物排放迅速增长，我国正面临越来越严峻的环境污染形势。
在环境污染物中，污染气体严重破坏生态环境，威胁着人们的身体健康。
主要大气污染物包括氨氮化合物、二氧化硫、氮氧化物、有机污染气体以及重金属等物质。
这些污染物的来源跟工业和生活息息相关。
在燃煤发电中，将产生大量的二氧化硫（SO 2）、氮氧化合物（NO x ）、氯化氢（HCl ）、重金属及其化合物以及气态有机污染物[1]。
其中，气态有机污染物主要包有易挥发性有机化合物（Very V olatile Organic Compounds ，VVOC ）、挥发性有机化合基金项目：2022年广东省科技创新战略专项资金（大学生科技术创新培育）(pdjh2023b0915)；2022年度广东省普通高校重点科研平台和科研项目特色创新项目(2022KTSCX289)；2023年度广东省普通高校重点科研平台和科研项目新一代电子信息(半导体)重点领域专项(2023ZDZX1069)；广东邮电职业技术学院质量工程项目（2023094、2023118、202201）。
各类气体传感器介绍
各类气体传感器介绍一、引言广义的说，传感器（Transducer或Sensor）是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件或装置，在有些国家或科学领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器等。
将物理量或化学量得变化转变成电信号是传感器的最终目的。
国际电工委员会（IEC：International Electrotechnical Committee）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
国家标准GB 7765—87给传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
此处的可用输出信号，一般即指易于处理和传输的电信号。
从这个角度也可以说传感器即为将非电信号转换成电信号的器件。
当然，可以预料，将来的“可用信号201D或许是光信息或者是更先进、更实用的其他信息。
本文主要介绍气体传感器的工作原理及应用场合，并对气体传感器的发展方向进行一些介绍。
二、工作原理传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。
了解这些定律和法则，有助于我们对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。
传感器工作物理基础的基本定律和法则有以下四种类型：（1）守恒定律。
包括能量、动量、电荷量等守恒定律。
这些定律，是我们探索、研制新型传感器时，或在分析、综合现有传感器时，都必须严格遵守的基本法则。
（2）场的定律。
包括运动长的运动定律，电磁场的感应定律等，气相互作用与物体在空间的位置及分布状态有关。
一半可由物理方程给出，这些方程可做诶许多传感器工作的数学模型。
例如：利用静电场定律研制的电容式传感器；利用电磁感性定律研制的自感、互感、电涡流式传感器；利用运动定律与电池感应定律研制的磁电式传感器等。
利用场的定律构成的传感器，其形状、尺寸（结构）决定了传感器的量程、灵敏度等主要性能，故此类传感器可统称为“结构型传感器”。
一氧化碳探测报警传感电路设计(1)
一氧化碳探测报警传感电路设计(1)论文关键词：气敏传感器UL281 单稳延时电路稳压电路热清洗蜂鸣报警论文摘要：CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。
在我国北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因为该气体易在不能充分燃烧的条件下产生。
设计出能检测到CO气体并能报警的电路是十分必要的，在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器部分要具有良好的温度、湿度稳定性。
根据生产生活需要设计CO探测报警电路，选用对CO有极高灵敏度的气敏传感器UL281作为报警电路探头，结合UL281结构及其功能，设计与之功能特点相匹配的电路，这些电路由单稳延时电路、稳定电源供电电路、探测电路（热清洗电路）、电压输出电路、报警电路和元件损坏电路。
将电源接通经过热清洗后将传感器放置在清洁空气中，由于敏感元件的电阻很大，IC2放大倍数近似于1。
因此用电压表测量H、L点之间的电压很小，电路不报警，可调节电位器RP2，可改变IC3的负输入电压，电路最终完成之后，调节滑动变阻器RP2，使IC3的负输入电压为。
将传感器放大装有300ppm气样的密封塑料袋内，调节RP1，使IC2的输出为。
此时电压比较器IC3正输入大于负输入，其输出正饱和而使VT3导通报警。
第一章概述第一节传感器的概述及组成一、引言CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。
我国的CO报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高，其系统复杂、成本较高。
而在居民住宅区、机房、办公室等小型单位场所，需要设置一种单一、廉价实用的CO探测报警装置，基于此种现象，应用所学的电路知识设计出一种简单易于实现，低成本的CO报警电路，不仅对于所学知识是一次综合复习的机会，而且更是练习如何应用所学的书本知识解决实际生产生活问题的能力，这是相当必要的。
气体和湿度传感器及其应用1
第十章气体和湿度传感器及其应用10.1气体传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。
所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。
由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。
近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。
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变化来检测气体。
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。
第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。
按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。
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他参数，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。
10.1.1电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器大多使用金属氧化物半导体材料作为气敏元件。
它分 N 型半导体如 SnO2、Fe2O3、ZnO等；P 型半导体，如 CoO、P b O、CuO、N i O 等。
1.材料和结构因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。
具体型号的气敏传感器的封装形式、性能指标、典型应用
具体型号的气敏传感器的封装形式、性能指标、典型应用半导气体传感器这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型。
（1）SnO2半导体是典型的表面型气敏元件，其传感原理是SnO2为n型半导体材料。
当施加电压时，半导体材科温度升高，被吸附的氧接受了半导体中的电子形成了O2或O2原性气体H2、CO、CH4存在时，使半导体表面电阻下降，电导上升，电导变化与气体浓度成比倒。
NIO为p型半导体，氧化性气体使电导下降，对O2敏感。
ZNO半导体传感器也属于此种类型。
A.电导型的传感器元件分为表面敏感型和容积控制型，表面敏感型传感材料为SnO2+Pd、ZNO+Pt、AGO、V2O5、金属酞青、Pt--SnO2。
表面敏感型气体传感器可检测气体为各种可燃性气体CO、NO2、氟利昂。
传感材料Pt--SnO2的气体传感器可检测气体为可燃性气体CO、H2、CH4。
B.容积控制型传感材料为Fe2O8和TiO2、CO-AGO--SnO2体传感器可检测气体为各种可燃性气体CO、NO2、氟利昂，传感材料Pt--SnO2。
容积控制型半导体气体传感器可检测气体为液化石油气、酒精、空燃比控制、燃烧炉气尾气。
（2）容积控制型的是晶格缺陷变化导致电导率变化，电导变化与气体浓度成比例关系。
Fe2O8、TiO2属于此种，对可燃性气体敏感。
（3）热线性传感器，是利用热导率变化的半导体传感器，又称热线性半导体传感器，是在Pt丝线圈上涂敷SnO2层，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化的功能。
施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt丝温度下降，阻值减小，Pt丝阻值变化与气体浓度为线性关系。
这种传感器体积小、稳定、抗毒，可检测低浓度气体，在可燃气体检测中有重要作用。
（4）非电导型的FET场效应晶体管气体传感器，PD--FER。
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mos场效应管在气体传感器中的应用
MOS场效应管在气体传感器中的应用
1. 简介
在气体传感器中，MOS（金属-氧化物-半导体）场效应管常被广泛应用。
这种特殊类型的半导体器件通过气体分子的吸附或反应引起的电荷转移来检测气体的存在或浓度。
以下是一些常见的MOS场效应管在气体传感器中的应用。
2. 氧气传感器
MOS场效应管可以用于检测环境中的氧气浓度。
当氧气分子与MOS 场效应管表面的金属氧化物层发生反应时，电荷会发生变化，导致场效应管的导电性发生变化。
这种变化可以通过电流或电压的测量来确定氧气的浓度。
3. 氮氧化物传感器
MOS场效应管还可以用于检测环境中的氮氧化物（包括一氧化氮和二氧化氮）浓度。
当氮氧化物分子与MOS场效应管表面的金属氧化物层发生反应时，电荷转移会导致场效应管的导电性变化。
这种变化可以被量化并用于测量氮氧化物的浓度。
4. 氢气传感器
MOS场效应管也可应用于氢气传感器中。
当氢气分子与MOS场效
应管表面的金属氧化物层发生反应时，会产生电荷转移，从而改变管
子的导电性。
通过测量导电性的变化，可以确定氢气的浓度。
5. 硫化氢传感器
硫化氢是一种有毒气体，MOS场效应管可用于检测和测量环境中
硫化氢的浓度。
当硫化氢分子与MOS场效应管表面的金属氧化物层发
生反应时，电荷转移会导致管子的导电性发生变化。
这种变化可以被
测量并用于确定硫化氢的浓度。
6. 一氧化碳传感器
MOS场效应管还可以应用于一氧化碳传感器中。
一氧化碳分子与MOS场效应管表面的金属氧化物层发生反应时，导致电荷转移，从而改变管子的导电性。
通过测量导电性的变化，可以确定一氧化碳的浓度。
7. 总结
MOS场效应管在气体传感器中具有广泛的应用。
通过与不同气体
分子的反应，MOS场效应管可以用于检测和测量多种气体的浓度。
这些传感器在环境监测、工业安全和室内空气质量监测等领域发挥着重要
的作用。
8. 硫化物传感器
MOS场效应管还可应用于硫化物传感器中。
硫化物是一类常见的
气体，其浓度的监测对于环境和人体健康至关重要。
当硫化物分子与
MOS场效应管表面的金属氧化物层发生反应时，导致电荷转移，从而改变管子的导电性。
通过测量导电性的变化，可以准确测量硫化物的浓度，帮助监测环境中的硫化物污染情况。
9. 氯气传感器
MOS场效应管还可用于氯气传感器中。
氯气是一种常见的有毒气体，其浓度的快速检测对于工业安全至关重要。
当氯气分子与MOS场效应管表面的金属氧化物层发生反应时，导致电荷转移，从而改变管子的导电性。
通过测量导电性的变化，可以快速检测和测量氯气的浓度，帮助保障工作场所的安全。
10. 甲烷传感器
MOS场效应管还常被用于甲烷传感器中。
甲烷是一种常见的可燃性气体，其浓度的监测对于防止火灾和爆炸具有重要意义。
当甲烷分子与MOS场效应管表面的金属氧化物层发生反应时，导致电荷转移，从而改变管子的导电性。
通过测量导电性的变化，可以监测和测量甲烷的浓度，及时发现潜在的火灾和爆炸风险。
综上所述，MOS场效应管在气体传感器中有着广泛的应用。
通过与不同气体分子的反应，MOS场效应管可以用于检测和测量多种气体的浓度，包括氧气、氮氧化物、氢气、硫化氢、一氧化碳、硫化物、氯气和甲烷等。
这些传感器在环境监测、工业安全和室内空气质量监测等领域发挥着重要的作用，帮助保障人们的健康和安全。