传感器第11章.

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1、第11章 化学传感器 第11章 化学传感器 11.1 气敏传感器 11.2 湿敏传感器 11.3 离子敏传感器 思考题与习题 第11章 化学传感器 11.1 气 敏 传 感 器 11.1.1 电阻型气敏器件 1. 表面电阻控制型气敏器件 表面电阻控制型气敏器件是利用半导体表面吸附气体时 ，会引起元件电阻变化的特性而制成的一种传感器，多以可 燃性气体为检测对象，吸附能力很强，也可以检测非可燃性 气体。该类传感器具有气体检测灵敏度高、响应速度比一般 传感器快、实用价值大等优点。 第11章 化学传感器 表面电阻控制型气敏器件主要利用表面电导率变化的信 息来检验气体，因此应选取表面电导率大、体内电导率

2、小的 半导体材料。 表面电阻控制型气敏器件的结构主要有烧结型、薄膜型 (包括多层薄膜型)和利用烧结体材料做成的厚膜型(包括混合 厚膜型)等。 第11章 化学传感器 1) 烧结型气敏器件 烧结型SnO2气敏器件是目前工艺最成熟、应用最广泛 的气敏元件。这种器件以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添 加不同的添加剂，均匀混合，以传统制陶工艺烧结而成。烧 结时在材料中埋入加热电极和测量电极，制成管芯，然后将 加热电阻丝和测量电极引线焊在管座上，并罩于不锈钢网中 制成器件。这种器件工艺简单、成本低廉，主要用于检测可 燃性气体，如H2、CO、甲烷(天然气的主要成分)、丁烷(液 化气的主要成分)等，敏感器件的

3、工作温度约300。按照加 热方式，可分为直热式和旁热式两种类型。 第11章 化学传感器 直热式传感器是将加热元件与测量电极一同烧结在氧化 物材料及催化添加剂的混合体内，加热元件直接对氧化物敏 感元件加热，如TGS、QN、QM等系列产品。直热式气敏元 件由芯片(包括敏感体和加热器)、基座和金属防爆网罩三部 分组成。在SnO2芯片烧结体中埋设两根铂-铱合金丝作为测 量电极和加热电阻丝(阻值约为25 )，工作时加热电阻丝 通电加热，测量电极测量电阻值的变化，其结构与元件符号 分别如图11.1(a)、(b)所示。 第11章 化学传感器 图11.1 直热式传感器元件的结构与符号 第11章 化学传感器 旁

4、热式传感器采用陶瓷管作为基底，将一个高阻加热丝 装入陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量电极，在金电极外 涂SnO2材料，测量电极、氧化物材料及催化添加剂烧结在 陶瓷管的外壁，加热元件经陶瓷管壁对氧化物敏感元件均匀 加热，如QM-N5、TGS812、TGS813等产品。其结构与 元件符号分别如图11.2(a)、(b)所示。 第11章 化学传感器 图11.2 旁热式传感器元件的结构与符号 第11章 化学传感器 2) 薄膜型气敏器件 薄膜型气敏器件是以石英或陶瓷为绝缘基片，在基片的 一面印上加热元件(如RuO2厚膜)，在基片的另一面上蒸发或 溅射出一层氧化物半导体薄膜(如SnO2)，并引出测量电极。

5、由于薄膜型气敏器件的表面积很大，表面电导率的变化对整 个器件电导率的变化影响大，因此灵敏度较高，且具有一致 性好、稳定性高、寿命长等优点，适于批量生产，成本低， 是一种很有发展前景的气敏元件。 第11章 化学传感器 3) 厚膜型气敏器件 厚膜型气敏器件是将SnO2、ZnO等氧化物材料与硅凝胶 混合，并加入适量的催化剂制成敏感材料膏浆，然后采用丝 网印刷技术，将敏感材料膏浆用不锈钢网印刷到氧化铝基板 上，基板上事先安装有铂电极和加热元件，待自然干燥后在 400800下烧结1小时制成。而后在上面印刷一对距离为 0.5 mm的厚膜导体作为电极，在基板另一面印刷上电阻作 为加热器。厚膜型气敏元件的机械

6、强度高，重复性好，适合 于大批量生产，而且生产工艺简单，成本低。 第11章 化学传感器 SnO2气敏器件具有如下基本特性： (1) 灵敏度特性：烧结型SnO2气敏器件，对多种可燃性 气体都有敏感性，但其灵敏度有所不同。在低浓度气体中灵 敏度高，器件电阻变化明显, 而在高浓度气体中电阻趋于稳 定值, 所以它非常适宜检测低浓度微量气体，例如检测可燃 气体的泄漏、定限报警等； (2) 温湿度特性：SnO2气敏器件易受环境温湿度的影响 ，在使用气敏元件时，必须在电路中进行温湿度补偿，提高 仪器设备的精度和可靠性； 第11章 化学传感器 (3) 初期恢复特性：SnO2气敏器件在短期不通电的状态 下存放后

7、再通电，元件并不能立即投入正常工作，其电阻值 将有一段急剧变化的过程，然后逐渐趋于稳定值，其变化曲 线如图11.3所示。通电开始，气敏元件的电阻值迅速下降， 然后向正常的阻值变化，最后趋于稳定状态。吸附气体后， 其电阻值随吸附气体的种类而发生变化，吸附还原性气体时 电阻值下降，而吸附氧化性气体时电阻值升高，响应时间在 1 min之内； 第11章 化学传感器 图11.3 SnO2气敏电阻与吸附气体的关系曲线 第11章 化学传感器 (4) 初期稳定特性：气敏元件长时间不通电存放，无论 在清净空气中，还是在气体中，都将出现高阻值现象，即元 件电阻值比初始稳定值高，一般高20%左右。通电开始一定 时间

8、后，元件电阻才恢复到初始电阻值并稳定下来。一般把 通电开始到元件电阻达到初始稳定值的时间称为初始稳定时 间，用它表示气敏元件的初始稳定性。 第11章 化学传感器 2. 体电阻控制型气敏器件 体电阻控制型半导体气敏器件与被测气体接触时，引起 器件体电阻改变的原因较多。如热敏型气敏器件在高温下工 作，当表面吸附可燃性气体时，被吸附气体燃烧使器件的温 度进一步升高，使半导体的体电阻发生变化。 另外，由于添加物和吸附气体分子在半导体能带中形成 新能级的同时，会在母体中生成晶格缺陷，也会引起半导体 的体电阻发生变化。 很多化学反应强而且容易还原的氧化物在比较低的温度 下与气体接触时，晶体结构发生变化，使

9、得体电阻发生变化 。目前常用-Fe2O3的气敏元件就是利用这一原理制成的， 其结构如图11.4所示。 第11章 化学传感器 图11.4 -Fe2O3气敏元件结构 第11章 化学传感器 11.1.2 非电阻型气敏器件 1. 肖特基二极管气敏器件 当金属和半导体接触形成肖特基势垒时构成金属半导体 二极管。在这种金属半导体二极管中施加正向偏压时，从半 导体流向金属的电子流将增加；如果施加负向偏压时，从金 属流向半导体的电子流几乎没有变化，这种现象称为二极管 的整流作用。当金属和半导体界面吸附某种气体时，气体对 半导体的能带或者金属的功函数都将产生影响，其整流特性 发生变化，由此可以制作气敏器件。 第

10、11章 化学传感器 在TiO2和ZO2单晶或ZO2烧结体上，真空蒸镀一层20 nm 左右的Pd形成肖特基二极管时，其整流特性随还原气体的 浓度发生变化。由于还原性气体的吸附，Pd的功函数会明 显减小，进而导致肖特基接触势垒下降，使得正向电流增加 。这种器件对H2很敏感，室温下能对几个ppm(百万分之一) 以 下的H2浓度进行选择性检测。图11.5所示为Pd-TiO2肖特基 气敏二极管伏安特性与H2浓度的关系曲线。 第11章 化学传感器 图11.5 肖特基气敏二极管伏安特性与H2浓度的关系 第11章 化学传感器 2. MOS二极管气敏器件 MOS二极管气敏器件是利用MOS二极管的电容-电压关 系

11、(C-V特性)制成的敏感器件，其结构、等效电路和C-V特 性如图11.6所示。 图11.6 Pd-MOS二极管气敏器件 第11章 化学传感器 3. Pd-MOSFET二极管气敏器件 Pd-MOSFET二极管气敏器件是用Pd薄膜(厚度为10 nm) 作栅电极，而普通MOSFET 是用Al膜作栅电极，这是两者 的主要区别。另外，Pd-MOSFET的SiO2绝缘层厚度也比普 通的MOSFET薄。Pd-MOSFET气敏器件的结构和ID-UDS曲线 如图11.7所示。 第11章 化学传感器 图11.7 Pd-MOSFET器件 第11章 化学传感器 MOSFET的漏极电流ID由栅极电压UG控制，若将栅极和

12、 漏极短路，并在源极与漏极之间加电压UDS，则漏电流ID为 ID=(UDSUT)2 (11.1) 式中：常数，只与Pd-MOSFET的结构有关； UT阈值电压，产生漏电流ID的最小偏压。 第11章 化学传感器 Pd-MOSFET二极管气敏器件具有如下特性： (1) 灵敏度：这种器件具有很高的灵敏度； (2) 选择性：大多数气敏器件的选择性都不理想。而Pd- MOSFET的Pd薄膜只允许氢原子通过并到达Pd-MOSFET界 面，所以它只对氢气敏感，具有独特的高选择性； (3) 稳定性：由于阈值电压UT随时间缓慢漂移，所以Pd -MOSFET的稳定性较差，限制了该器件在定量检测上的应 用。自197

13、5年Pd-MOSFET在国外研制成功以来，在工艺和 结构方面做了很多优化和改进，如在Pd-MOSFET电容的 SiO2上加一层Al2O3，就可以消除漂移现象； 第11章 化学传感器 (4) 响应时间：响应时间与恢复时间都是由气体与栅极 在界面上的反应过程所决定，随器件的工作温度上升而迅速 减小。因此，Pd-MOSFET工作温度的选择非常关键，若要 求响应时间为几秒或者更短，必须选择100150的工作温 度。除工作温度外，H2浓度对响应时间和恢复时间也有影 响，如器件工作温度在150时，当H2浓度为0.01%时，响 应时间小于10 s，恢复时间小于5 s。当H2浓度为4%时，响 应时间小于5 s

14、，恢复时间小于15 s。 第11章 化学传感器 11.1.3 气敏传感器的应用 1. 有害气体报警器 该类仪器在泄漏气体达到危险值时自动进行报警。图 11.8所示为一种简单的家用可燃气体报警器电路，气敏传感 器TGS109与蜂鸣器BZ构成简单的检测回路。 第11章 化学传感器 图11.8 家用可燃气体报警器电路 第11章 化学传感器 图11.9所示为小型煤矿瓦斯报警器电路，气敏传感器 QM-N5与电位器RP构成检测回路，555集成器件与外围元件 构成多谐振荡器。当无瓦斯气体时，气敏传感器电阻值较大 ，调节电位器RP使输出电压小于0.7 V，555集成器件的4脚 被嵌位，振荡器不工作。当周围空气

15、有瓦斯气体时，气敏传 感器电阻值降低，电位器输出电压增加，555集成器件的4脚 变为高电平，振荡器起振，扬声器报警。 第11章 化学传感器 图11.9 瓦斯报警器电路 第11章 化学传感器 2. 检漏仪 检漏仪是将气敏元件作为检测电路中的气-电转换元件 ，并配合相应的电路、指示仪表或声光显示部分组成的气体 探测仪器，这类仪器要求灵敏度较高。例如氢气检漏仪内置 的采样泵能够尽可能多地采集泄漏气体，并送入仪器进行气 -电转换，当采样气体中的氢气含量超过预设值时，仪表会 自动发出声光报警，并显示相关信息。 第11章 化学传感器 3. 自动控制和测量 利用气敏元件的气敏特性，实现对电气设备的自动控制 ，如电子灶烹调自动控制、换气扇自动换气控制等。气敏元 件对不同气体具有不同的电阻-气体浓度关系曲线，利用这 一特性来测量及确定气体的种类和浓度，但对气敏元件的性 能要求较高，同时要配以高精度的测量电路。 第11章 化学传感器 4. 注意事项 (1) 加热电压：半导体气敏传感器采用加热器对气敏元 件进行加热，加热器的加热温度对气敏传感器的特性影响很 大, 因此加热器的加热电压必须恒定。例如, 对于AF30L/38L 半导体气敏传感器, 加热器的理想电压为5 V，一般在50.2 V的范围内使用。另外，气敏元件的消耗功率不能超过额定 值，否则会损坏气敏元件，如A