传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第9章ppt课件.pdf
第9章半导体传感器
9.1气敏传感器
9.1.1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。
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。
第9章半导体传感器
半导体气敏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，前者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；后者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。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。表9-1为半导
体气敏元件的分类。
第9章半导体传感器
表9-1半导体气敏元件的分类
第9章半导体传感器
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。因此，对气敏
元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，
共存物质产生的影响小等。用半导体气敏元件组成的气敏传感
器主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、
易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。
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)
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H、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称
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为还原型气体或电子供给性气体。
第9章半导体传感器
第9章半导体传感器
第9章半导体传感器
9.1.3半导体气敏传感器类型及结构
1.电阻型半导体气敏传感器
图9-2气敏半导体传感器的器件结构
(a)烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件
第9章半导体传感器
图9-2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO半导体材料为
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基体，将铂电极和加热丝埋入SnO材料中，用加热、加压、温
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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。半导瓷内的晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小对电
阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。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。
第9章半导体传感器