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第七章 气敏、湿度、水份传感器 第一节 气敏传感器 在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。 化工生产中气体成份的检测与控制； 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。 第一节 气敏传感器 气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。 气敏效应;嗅敏效应;gas-sensitive effect 某些半导材料表面吸附（有物理吸附，化学吸附或和物理化学吸附）某种气体引起表面能态发生改变，从而导致材料电导率变化的现象。 利用此效应可制成气敏电阻器。 第一节 气敏传感器 早在20世纪30年代就已发现氧化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而发生改变。 其后又发现其它许多金属氧化物如SnO2、ZnO、WO3、V2O5、CdO、Fe2O3也都有气敏效应。 具有代表性的是SnO2系和ZnO系气敏元件。 60年代研制成功了SnO2气敏元件。 第一节 气敏传感器 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。 一、气敏元件工作机理 气敏半导瓷材料氧化锡(SnO2)是N型半导体。 它的导电机理可以用吸附效应解释。 一、气敏元件工作机理 N型半导瓷的模型。 这种材料为多晶体。晶粒间有较高电阻，晶粒内部电阻较低。 导电通路的等效电路 一、气敏元件工作机理 图中Rn为颈部等效电阻 Rb为晶粒的等效体电阻 RS为晶粒的等效表面电阻 Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响 一、气敏元件工作机理 RS和Rn则受吸附气体所控制，且 RSRb RnRb 由于RS被Rb所短路，因而图b可简化为图c只由颈部等效电阻Rn串联而成的等效电路 一、气敏元件工作机理 半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变 一、气敏元件工作机理 半导瓷气敏电阻工作时通常都需要加热。器件在加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由扩散，其间一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。 一、气敏元件工作机理 此时，如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附； 如果材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。 一、气敏元件工作机理 O2和氮氧化合物倾向于负离子吸附，称为氧化型气体。 H2、CO碳氢化合物和酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体。 一、气敏元件工作机理 氧化型气体吸附到N型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。 还原型气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。 一、气敏元件工作机理 一、气敏元件工作机理 SnO2气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度。 掺加Pd(钯石棉，PdCl2)、Mo(钼粉、钼酸)、Ga等杂质的SnO2元件可在常温下工作，对烟雾的灵敏度有明显增加，可供制造常温工作的烟雾报警器。 一、气敏元件工作机理 半导瓷气敏元件与半导体单晶相比，具有工艺简单，使用方便，价格便宜，对气体浓度变化响应快，即使在低浓度下灵敏度也很高等优点，故可用于制作多种具有实用价值的气敏元件。 其缺点是稳定性差，老化较快，并需要进一步提高其气体识别的能力及稳定性。 二、常用气敏元件的种类 按结构可将其分成烧结型、薄膜型和厚膜型三种。 二、常用气敏元件的种类 1．烧结型气敏元件 这类器件以半导瓷SnO2为基体材料(其粒度在1?m以下)添加不同杂质，采用传统制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，制成管心，最后将加热丝和测量电极焊在管座上，加特种外壳构成器件。 二、常用气敏元件的种类 1．烧结型气敏元件 烧结型器件的一致性较差，机械强度也不高。但它价格便宜，工作寿命较长，目前仍得到广泛应用。 二、常用气敏元件的种类 2．薄膜型气敏元件 二、常用气敏元件的种类 2．薄膜型气敏元件 二、常用气敏元件的种类 3．厚膜气敏元件 为解决器件一致性问题，出现了厚膜器件。它是用SnO2和ZnO等材料与3％～15％（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的Al2O3基片上，以(400～800)℃烧结lh制成。 二、常用气敏元件的种类 3．厚膜气敏元件 厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。 二、常用气敏元件的种类 以上三类气敏元件都附有加热器。 实用时，加热器能使附着在探测部分的雾、尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到(200～400)℃，具体温度视所掺杂质不同而异。 二、常用气敏元件的种类 各种可燃性气体的浓度与SnO2半导瓷传感器