气敏电阻的工作原理及其特性
气敏传感器实验
气敏传感器实验
一、实验目的：了解气敏传感器原理及特性;
二、基本原理：气敏传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件;它一般可分为：半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等;本实验采用的是TP-3集成半导体气敏传感器,该传感器的敏感元件由纳米级SnO2氧化锡及适当掺杂混合剂烧结而成,具微珠式结构,是对酒精敏感的电阻型气敏元件；当受到酒精气体作用时,它的电阻值变化经相应电路转换成电压输出信号,输出信号的大小与酒精浓度对应;传感器对酒精浓度的响应特性曲线、实物及原理如下图所示;
aTP-3酒精浓度—输出曲线 b传感器实物、原理图
1酒精传感器响应特性曲线、实物及原理图
三、需用器件与单元：主机箱电压表、+5V直流稳压电源；气敏传感器、酒精棉球自备;
四、实验步骤：
1、按下图示意接线,注意传感器的引线号码;
气敏酒精传感器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档;检查接线无误后合上主机箱电源开关,传感器通电较长时间至少5分钟以上,因传感器长时间不通电的情况下,内阻会很小,上电后Vo输出很大,不能即时进入工作状态后才能工作;
3、等待传感器输出Vo较小小于1.5Ｖ时,用自备的酒精小棉球靠近传感器端面并吹2次气,使酒精挥发进入传感网内,观察电压表读数变化对照响应特性曲线得到酒精浓度;
实验完毕,关闭电源;。
半导体气敏传感器分类 ppt课件
2)氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发
动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳 燃烧状态，以达节能目的。
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气敏元件外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火 起动发动机。
若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1为高电 平，U3为为低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管
VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法起动发动机。 若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触电K1-1断开，仍
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2)温湿度特性
SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。 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补偿。
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），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存
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A、烧结型气体传感器的结构与符号
烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种, 其结构与符号如图4-2-1、4-2-2所示。
直热式的加热 丝兼作电极。其结 构简单、成本低、 功耗小；但热容量 小，易受环境气流 影响；因加热丝热 胀冷缩，易使之与 材料接触不良；在 测量电路中，信号 电路和加热电路相 互干扰。
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2、半导体气敏传感器分类：
半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型 两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnO2）、氧 化锌（ZnO）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型 有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传 感器）和固体电解质型。
气敏传感器
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管Biblioteka 气敏传感器BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
2.3 工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
气敏传感器的工作原理
气敏传感器的工作原理气敏传感器是一种用于监测周围环境气体浓度的设备，它可以检测和检测气体浓度，从而为相关研究和应用提供测量信息。
它主要由传感器元件、放大电路、输出电路组成。
传感器电路中的检测气体电路是气敏传感器最重要的部分，它的工作原理是将待测气体的浓度通过物理应变变化为电流或电压变化，其变化值可以通过测量来得出结论。
气敏传感器的典型结构是一个封闭的检测元件，它可以测量待测气体的浓度。
该检测元件由一个内部绝缘体和一个延伸到外部的金属探针组成，其中绝缘体是由聚合物组成的，金属探针一般是铂金和银的混合体，其表面上具有半导体性质。
当外部环境中的气体浓度发生变化时，该检测元件的电阻值也会发生变化，因此该电阻值的变化可以通过电路中的变阻器测量出来。
气敏传感器的放大电路将获得的传感器输出信号放大，并将扩大的信号转换为可读取并显示出来的数值。
转换时，可以使用不同的接口，如模拟输出接口或数字接口，以此实现相应的气体浓度值。
气敏传感器输出电路是将传感器元件输出电流或电压信号转换为有用信息的可读取输出形式，它可以将一定范围内的输出电压转换为对应气体浓度的数字输出。
由于气敏传感器具有体积小、反应时间短、性能可靠、成本低等特点，已经在众多领域得到了广泛应用，如家用空气净化器、汽车碳氢分析仪、工厂自动化系统、室内污染物检测系统等。
此外，气敏传感器还可用于工业、农业环境监测、污染控制、排放测量等领域。
总之，气敏传感器是一种用于检测气体浓度的重要传感器，它的工作原理是将待测气体的浓度通过物理应变变化为电流或电压变化，再通过放大电路和输出电路输出可读取信息。
气敏传感器在家用净化器、碳氢分析仪、工厂自动化系统、环境监测、污染控制、排放测量等领域都得到了广泛应用，它将给社会提供更多可靠的信息。
第10章 气敏传感器及其应用
第10章气敏传感器及其应用在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。
比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
气敏传感器的实物如图10-1所示。
图10-1 气敏传感器实物图10.1气敏电阻气敏电阻就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。
10.1.1气敏传感器的工作原理由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。
例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。
利用SnO2（氧化锡）金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
气敏传感器工作原理及应用
气敏传感器工作原理及应用气敏传感器是一种能够感知气体浓度变化并将其转化为电信号的传感器。
它是通过一种特别的物理或化学反应来实现的，当特定气体分子接触到传感器的感应层时，会产生化学反应或物理性质的变化，这种变化可以被传感器检测到并转化为电信号输出。
一般来说，气敏传感器可以分为两大类：基于电阻变化的传感器和基于电容变化的传感器。
基于电阻变化的传感器中最常见的是金属氧化物半导体传感器（MOS）。
这类传感器的感应层由一种或多种金属氧化物组成，当目标气体与感应层接触时，其电阻值会发生变化，这种变化与目标气体浓度呈正相关。
例如，常用的氧气传感器就是利用金属氧化物感应层的电阻值变化来检测氧气浓度的。
基于电容变化的气敏传感器则是通过感应层与探测电极之间的电容变化来检测气体浓度的。
当目标气体接触到感应层时，感应层的电容值会发生变化，这种变化可以由传感器测量电路检测到并转化为电信号输出。
气敏传感器广泛应用于许多领域，以下是一些常见的应用示例：1.空气质量监测：气敏传感器可以用于监测室内和室外空气中的有害气体浓度，如CO2、CO、甲醛等，用于提醒人们做好防护措施，保障健康。
2.工业安全监测：在工业生产中，许多化学物质具有毒性或易燃性，气敏传感器可以用于检测这些气体浓度，及时发现异常情况并采取相应措施，确保工作环境的安全。
3.火灾报警系统：气敏传感器可以用于检测火灾产生的有害气体，如烟雾、一氧化碳等，一旦检测到异常浓度，可以及时发出警报并采取紧急措施。
4.环境污染监测：气敏传感器可以用于监测大气中的有害气体浓度，如二氧化硫、氮氧化物等，帮助评估环境污染程度和制定相应防治措施。
5.智能家居：气敏传感器可以用于检测厨房或浴室中的有害气体，如煤气泄漏、液化气泄漏等，及时发出警报并切断气源，避免潜在的安全隐患。
总结起来，气敏传感器通过感应层与目标气体的相互作用来感知气体浓度变化，具有灵敏度高、响应速度快等特点，可广泛应用于环境监测、工业安全、火灾报警等领域，起到保护生命和财产安全的重要作用。
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。
常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍
常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍传感器由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。
敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
②化学类，基于化学反应的原理。
③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。
下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。
一、温度传感器及热敏元件温度传感器主要由热敏元件组成。
热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。
以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。
1、半导体热敏电阻的工作原理按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。
⑴正温度系数热敏电阻的工作原理此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。
纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。
它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。
当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。
因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3~440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
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气敏电阻的工作原理及其特性
气敏电阻的工作原理及其特性
一、气敏电阻的工作原理及其特性
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。
人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时
若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。
半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。
N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。
象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中
的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。
当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。
可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。
这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
目前国产的气敏元件有2种。
一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；另一种是旁热式，这种气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。
以SnO2气敏元件为例，它是由0.1--10um的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导体而工作的。
在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。
当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。
而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。
气敏电阻的温度特性所示，图中纵坐标为灵敏度，即由
于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。
由曲线可以看出，SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。
但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。
气敏电阻灵
敏度与温度的关系
此外，在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。
气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。
旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面较广。
1、氧化锌系气敏电阻
ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。
通过掺杂而获得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。
这种气敏元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。
例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉
搏
加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。
利用SnO2 金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
2、氧化铁系气敏电阻
当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用转变为，其电阻串迅速降低。
这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。
(转自中国电子制作网站)。