氣敏感測器

氣敏感測器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。

它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警；還可以通過介面電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。

聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。通過測量聲表面波頻率的變化就可以獲得準確的反應氣體濃度的變化值。

氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。

1、半導體氣敏元件的特性參數

（1）氣敏元件的電阻值

將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ra。一般其固有電阻值在(103～105)Ω範圍。

測定固有電阻值Ra時，要求必須在潔凈空氣環境中進行。由於經濟地理環境的差異，各地區空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對於同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區進行測定，其固有電阻值也都將出現差別。因此，必須在潔凈的空氣環境中進行測量。

（2）氣敏元件的靈敏度

是表徵氣敏元件對於被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關係。表示方法有三種

（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1—氣敏元件在濃度為Cc的被測氣體中的阻值：RC2—氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1>C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa：氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；Vg：氣敏元件在規定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出（d）氣敏元件的解析度表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件解析度S表示為Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；Vg—氣敏元件在規定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓Vgi—氣敏元件在i種氣體濃度為規定值中工作時，負載電阻的電壓（e）氣敏元件的響應時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩定電阻值的63%時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表示。（f）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小於5Ω；旁熱式的加熱電阻大於20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用PH表示。一般在(0.5～2.0)W範圍。（g）氣敏元件的恢復時間表示在工作溫度下，被測氣體由該元件上解吸的速度，一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的63%時所需時間。

2、燒結型SnO2氣敏元件

SnO2系列氣敏元件有燒結型、薄膜型和厚膜型三種。燒結型應用最廣泛性。

其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤1μm)的SnO2粉體為基本材料，根據需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用於檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。

（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)由晶元(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網罩三部分組成。因其熱容量小、穩定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由於熱膨脹係數的差異而導致接觸不良，造成元件的失效，現已很少使用。2）旁熱式SnO2氣敏元件旁熱式氣敏器件結構及符號

1970年，荷蘭科學家Bergveld研製出了對氫離子響應的離子敏感場效應晶體管，標誌著離子敏半導體感測器的誕生。半導體感測器以其易於實現集成化，微型化、靈敏度高等諸多優點，一直引起世界各國科學家的重視和興趣。由於電子技術的飛速發展，以半導體感測器為代表的各種固態感測器相繼問世。這類感測器主要是以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內載流子濃度或分佈的變化，通過檢測這些物理特性的變化，即可反映被測參數值。它與各種結構型感測器相比，具有如下特點：

由於感測器原理是基於物理變化的，因而沒有相對運動部件，可以做到結構簡單，微型化；

靈敏度高，動態性能好，輸出為電量；

採用半導體為敏感材料容易實現感測器集成化，智能化；

功耗低，安全可靠。同時，半導體感測器也存在以下一些缺點：

線性範圍窄，在精度要求高的場合應採用線性化補償電路；

與所有半導體元件一樣，輸出特性易受溫度影響而漂移，所以應採用補償措施；

性能參數離散性大。

雖然存在上述問題，但半導體感測器仍是感測器發展的重要方向，尤其是大規模集成電路技術的不斷發展，半導體感測器的技術也日臻完善。

從所使用的材料來看，凡是使用半導體為材料的感測器都屬於半導體式感測器，如，霍爾元件、光敏、磁敏、二極體和三極體熱敏電阻、壓阻式感測器、光電池、氣敏、濕敏、色敏和離子敏等感測器。有些內容與其他感測器互相交叉，已在其它章中介紹。本章主要介紹氣敏、濕敏、磁敏、色敏和離子敏半導體式感測器，

氣敏感測器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂勠11、R12蘺檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息從而可以進行檢測、監控、報警還可以通過介面電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。由於氣體種類繁多，性質各不相同不可能用一種感測器檢測所有類別的氣體因此能實現氣-電轉換的感測器種類很多按構成氣敏感測器材料可分為半導體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體氣敏感測器因此本文主要講述半導體氣敏元件的有關原理及應用。

半導體氣敏感測器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，產生的電導率等物理性質變化來檢測氣體的。按照半導體與氣體相互作用時產生的變化只限於半導體表面或深入到半導體內部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發生電子接受，結果使半導體的電導率等物理性質發生變化，但內部化學組成不變，後者半導體與氣體的反應，使半導體內部組成發生變化而使電導率變化。按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度廠半導體式氣敏元件則是根據氣體的吸附和反應，使其某些關係特性發生改變無對氣體進行直接或間接的檢測，如二極體伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。