开讲了｜Part2分解：气体传感器系列之半导体气体传感器知识详解

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分解

半导体气体传感器知识

02

半导体气体传感器

什么是半导体传感器？

半导体传感器(semiconductor transducer)是指利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和 Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半导体传感器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。

什么是半导体气体传感器？

半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器，是最常见的气体传感器，广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置，适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。

半导体气体传感器原理：

在一定的温度条件下，被测气体到达半导体敏感材料表面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系，通过测量电阻的变化即可测得气体浓度。

单支半导体气体传感器通过选择性催化、物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。大规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确识别。

半导体气体传感器分类

半导体顾名思义是电导率介于绝缘体与导体之间的物质。

半导体气体传感器的敏感材料就这么一种物质。

☆ 按照传感器所使用的敏感材料的差异可分为：SnO2、ZnO、WO3、Fe2O3等型；

☆ 按传感器内部结构的差异可分为：管状旁热式、平面旁热式、直热式、常温式以及MEMS式五类。

※ 当加热器与半导体材料为隔离状态时，这一类结构的传感器就是旁热式气体传感器，旁热式又可分为管状旁热式(见图a)和平面旁热式(见图b)两种。

※ 当加热器与半导体材料直接接触时，这一类结构的传感器即为直热式气体传感器(见图c)。

※ 不需要附加加热器的传感器就是自加热式传感器(见图d)。

常见的气体敏感材料分为表面控制型和体控制型。表面控制即电阻由晶粒表面和晶粒晶界控制，体控制即电阻由晶粒尺寸和载流子浓度控制。

用于气体传感器的半导体材料除具有半导体的属性外还需要具备以下条件：

a、易获得；

b、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力；

c、自身有良好催化特性；

d、机械结构可调；

e、电性能可调；

f、烧结性能好；

g、氧气和被测气体在室温或一定的温度条件下，在其表面有很好的化学反应能力并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力；

h、与其它辅助材料成型后有较好的相融性、化学稳定性并有适合的微缺陷等，符合这种条件的常见材料有二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。

这里最重要的是概念与性能的对应关系：温度-功耗、漂移；吸附及化学反应-灵敏度、选择性、漂移、线性、初始稳定时间以及响应时间；脱附-恢复时间。

半导体类传感器应用

半导体传感器特点：

半导体传感器优点：廉价、耐用、设计及制造过程简单。

半导体传感器弱点: 功耗大、漂移、线性差。

无论其优点还是弱点均与上述对应关系相关。如漂移：传感器会吸附氧气，当氧气浓度变化时(如雨天，氧浓度变小)，吸附量会变化，零点必会漂啊漂。

总之半导体传感器的优缺点首先是由其工作原理决定的，是先天的。后天的设计、制造可以改善，但不能消除。

气体传感器门类众多，明日详细介绍——红外气体传感器 相关知识，敬请期待！

这篇文章可以让你读懂气体传感器的特性、分类与应用

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分

从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。接下来了解一下气体传感器的主要特性：

气体传感器的特性

气体传感器

1、稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。

2、灵敏度

灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性。

3、选择性

选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

4、抗腐蚀

性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。

气体传感器的分类

半导气体传感器

这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型。

（1 ） SnO2半导体是典型的表面型气敏元件，其传感原理是SnO2为n 型半导体材料。当施加电压时，半导体材科温度升高，被吸附的氧接受了半导体中的电子形成了O2或O2原性气体H2、CO、CH4存在时，使半导体表面电阻下降，电导上升，电导变化与气体浓度成比倒。NiO为p型半导体，氧化性气体使电导下降，对O2敏感。ZnO半导体传感器也属于此种类型。

半导体气体传感器

a. 电导型的传感器元件分为表面敏感型和容积控制型，表面敏感型传感材料为SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金属酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型气体传感器可检测气体为各种可燃性气体C0、NO2、 氟利昂。传感材料Pt —SnO2 的气体传感器可检测气体为可燃性气体CO、H2、CH4 。

b. 容积控制型传感材料为Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO —SnO2体传感器可检测气体为各种可燃性气体CO、NO2 氟利昂。。传感材料Pt —SnO2

容积控制型半导体气体传感器可检测气体为液化石油气、酒精、空燃比控制、燃烧炉气尾气。

（2） 容积控制型的是晶格缺陷变化导致电导率变化，电导变化与气体浓度成比例关系。

Fe2O8、TiO2属于此种，对可燃性气体敏感。

（3） 热线性传感器，是利用热导率变化的半导体传感器，又称热线性半导体传感器，是在Pt 丝线圈上涂敷SnO2层，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化的功能。施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt 丝温度下降，阻值减小，P t丝阻值变化与气体浓度为线性关系。

这种传感器体积小、稳定、抗毒，可检测低浓度气体，在可燃气体检测中有重要作用。

（ 4） 非电导型的FET场效应晶体管气体传感器，Pd —FET．场效应晶体管传感器，利用Pd 吸收H z 并扩散达到半导体Si 和Pd的界面，减少Pd 的功函，这种对H2、CO敏感。非电导型FET场效应晶体管气体传感器体积小，便于集成化，多功能，是具有发展前途的气体传感器。

固体电解质气体传感器

这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。稳定的氧化铬固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的测定和发动机空燃比成分测量等。

为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上镀一层气敏膜，把围周环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来。

接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式传感器适用于可燃性气H2、CO、CH4的检测。可燃气体接触表面催化剂

Pt 、Pd 时燃烧、破热，燃烧热与气体浓富有关。这类传感器的应用面广、体积小、结构简单、稳定性好，缺点是选择性差。

电化学气体传感器

电化学方式的气体传感器常用的有两种

（ 1 ）恒电位电解式传感器

是将被测气体在特定电场下电离，由流经的电解电流测出气体浓度，这种传感器灵敏度高，改变电位可选择的检洌气体，对毒性气体检测有重要作用。

（ 2） 原电池式气体传感器

在KOH电解质溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 电极构成电池，已成功用于检测O2，其灵敏度高，缺点是透水逸散吸潮，电极易中毒。

光学气体传感器

（ 1 ）直接吸收式气体传感器

红外线气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对SO2、CO、CO2、NO等气体具有较高的灵敏度。

另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对NO、NO2、SO2、烃类（ CH4） 等气体具有较高的灵敏度。

（ 2）光反应气体传感器

光反应气体传感器是利用气体反应产生色变引起光强度吸收等光学特性改变，传感元件是理想的，但是气体光感变化受到限制，传感器的自由度小。

（ 3 ）气体光学特性的新传感器

光导纤维温度传感器为这种类型，在光纤顶端涂敷触媒与气体反应、发热。温度改变，导致光纤温度改变。利用光纤测温已达到实用化程度，检测气体也是成功的。

此外，利用其它物理量变化测量气体成分的传感器在不断开发，如声表面波传感器检测SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等气体也有较高的灵敏度。

选用技巧

有害气体检测的气体传感器的一大作用，有害气体的检测有两个目的，第一是测爆，第二是测毒。所谓测爆是检测危险场所可燃气含量，超标报警，以避免爆炸事故的发生;测毒是检测危险场所有毒气体含量，超标报警，以避免工作人员中毒。

有害气体有三种情况第一、无毒或低毒可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。针对这三种不同的情况，一般我们选择传感器需要选择不同的气体传感器。例如测爆选择可燃气体检测报警仪，测毒选择有毒气体检测报警仪等。其次我们需要选择气体传感器的类型，一般有固定式和便携式。生产或贮存岗位长期运行的泄漏检测选用固定式气体传感器;其他象检修检测、应急检测、进入检测和巡回检测等选用便携式气体传感器。

气体传感器类型有成百上千种，针对不同的气体传感器可能有不同的选用技巧，客户在选择气体传感器的时候如果自己不是很清楚可以咨询传感器厂家的技术人员，让他们为你选择合适的气体传感器，或者请传感器技术人员上面勘察以便更好的选择气体传感器。

气体传感器的应用

应用于建设环境物联网。气体传感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等气体探测领域有着广泛的应用，环境问题一直是全国乃至全世界最关心的话题之一，人类赖以生存的环境一直在遭受着严重的破坏，如何保护环境就需要建立环境监管机制，建设物联网成为必要，而气体传感器作为环境检测的必备传感器将有助于建设环境物联网。

传感器是物联网最核心和最基础的环节，是各种信息和人工智能的桥梁，其技术领域中重要门类之一的气体传感器，横跨功能材料、电子陶瓷、光电子元器件、MEMS技术、纳米技术、有机高分子等众多基础和应用学科。高性能的气体传感器能大大提高信息采集、处理、深加工水平，提高实时预测事故的准确性，不断消除事故隐患，大幅度减少事故特别是重大事故的发生。能有效实现安全监察和安全生产监督管理的电子化，变被动救灾为主动防灾，使安全生产向科学化管理迈进。

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