气敏传感器的原理及应用：控制作用的变化与检测可燃性气体

一、气敏传感器及分类

气敏传感器是利用材料的物理和化学性质受气体作用后发生变化的原理而工作的一种器件。它可用于气体检漏、气体浓度检测、气体成分检测、事故报警以及机器人的嗅觉等方面。作为感官或信息输入部分之一的气体传感器，是人类不可缺少的，它相当于人类的鼻子，美称为电鼻子。

气敏传感器的种类较多，主要包括有：敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。

由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此，本节将着重介绍半导体气敏传感器。

二、半导体气敏传感器及应用

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化，藉以来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器。

半导体气敏传感器的分类如表3-1所示。

表3-1 半导体气敏传感器的分类

半导体气敏传感器大体上可分为两类，即电阻式和非电阻式，电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡（SnO2）、氧化锰（MnO2）等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。由于它们具有对气体辨别的特殊功能，故称之为“电鼻子”。

图3-51所示为典型气敏元件的阻值-浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。

图3-51 气敏器件的阻值-浓度关系

1—甲烷；2—一氧化碳；3—正乙烷；4—轻汽油；5—氢气；6—乙醚；7—乙醇(www.xing528.com)

图3-52 烧结型多孔气敏元件的工作原理

（a）多晶元件；（b）各晶粒结合情况；（c）除去可燃气体的吸附氧气；（d）激活剂的作用

电阻式半导体气敏传感器分表面控制型和体控制型两类，其特点是敏感元件的结构简单，信号不需要专门的放大电路放大，故得到了广泛的应用。表面控制型气敏传感器有SnO2、ZnO、WO3、V2O5、TiO2、Cr2O3、CdO等类型，其中最具有代表性的是SnO2型和ZnO型气敏传感器。气敏传感器的气敏元件的电阻变化与元件的微观结构密切相关。图3-52所示为烧结型多孔气敏元件的工作原理，图（a）表示烧结型多孔元件是块状晶粒的集合体；图（b）表示晶粒边界处的接触情况，以及粗颈部和细颈部结合的情况。由于N型半导体吸附了氧，从而产生缺乏电子的表面空间电荷层，使晶粒边界和颈部的电阻在元件中最高，该电阻代表了整个元件的阻值。因此晶粒结合部的形状和数量对传感器的性能影响很大。晶粒颈部结合时，颈部的表面电导率影响是主要的。当颈部包含的厚度为整个表面空间电荷层厚度时，元件接触气体后所引起的电阻变化最大。在晶粒边界接触处，通过晶界的电子必然移动。由于晶界处因氧化吸附作用而形成电势壁垒，故电子移动必须越过该壁垒。当接触气体时，电势壁垒随着吸附氧的减少而降低，因而电子易于移动，故元件的电阻变小。图3-52（c）和（d）所示为氢气在气敏元件表面上的化学反应模型。图（c）表示气敏元件中不含有激活剂Pd，吸附的氧气与被测气体之间必须直接反应。图（d）表示气敏元件中添加了激活剂Pd（贵金属）时氢气在其表面上发生化学反应，在反应初期，氢气在Pd表面上分解成氢离子（活化作用），然后移向半导体表面，并跟着发生吸附效应。被检测气体的活化实质上是Pd的催化作用，从微观结构看，活化作用是因为在半导体晶粒的结合处存在Pd。应注意，增加Pd要适量，通常Pd的最佳添加量是百分之几。

图3-53 Pd-MOSFET元件工作原理

非电阻式半导体气敏传感器根据气体的吸附和反应，利用半导体的切函数，对气体直接或间接的检测。非电阻式气敏传感器有FET型和二极管型两种。MOSFET场效应的控制作用，是在控制极加电场，使半导体形成导电通路，从而控制漏电流。若这种控制作用随环境而变化，则利用这种现象可构成气敏传感器。如果MOSFET的SiO2层做得极薄（100nm），并在控制极加一薄层Pd（100nm），则可用这种Pd-MOSFET检测空气中的氢。其工作原理如图3-53所示。

半导体气敏传感器可用于可燃性气体的检测与检漏，从而可在灾害事故发生前，向人们发出警报，以便采取有效措施，防患于未然；或者后接处理系统，自动消除事故的发生。下面举实例说明其应用。

图3-54所示为广泛应用于家用气体泄漏警报器的TGS109型气敏传感器的结构，兼作电极的加热器直接埋入块状SnO2半导体内。为了获得适当的气体灵敏度，半导体加热器应加热后才能使用。另外，传感器中串联一个4kΩ的负载电阻，外加100V的电路电压。

图3-54 TGS109型传感器的结构

自动换气扇能敏感厨房内的烟和烟雾，并使换气扇工作，从而自动净化室内空气。图3-55所示为换气扇的工作电路图，室内污染气体的浓度增加，则传感器的电阻值减小。若空气污染达到一定浓度，则图3-55中晶体管T1接通，继电器随即工作，启动换气扇。如图3-56所示，污染气体的浓度超过由VR2给定的浓度C1时，换气扇工作，把污染的气体排出。但是，即使气体浓度低于给定值C1，换气扇仍继续工作，只有浓度到达Cd点，换气扇才停止工作。这样才可避免换气扇发生跳跃现象，达到充分换气。另外，给出R1和VR1是为了补偿元件的固有电阻和灵敏度偏差。

图3-55 换气扇的工作电路图

图3-56 气体浓度变化和换气扇的工作状态