气敏传感器

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。流行的定性模型是:原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。

1、半导体气敏元件的特性参数

(1)气敏元件的电阻值

将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ra。一般其固有电阻值在(103~105)Ω范围。

测定固有电阻值Ra时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。

(2)气敏元件的灵敏度

是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量(如电阻型气敏元件的电阻值)与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种

(a)电阻比灵敏度K

(b)气体分离度

RC1-气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值:

RC2-气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1>C2

(c)输出电压比灵敏度KV

Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出;

Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出

(3)气敏元件的分辨率

表示气敏元件对被测气体的识别(选择)以及对干扰气体的抑制能力。

气敏元件分辨率S表示为

Va-气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压;Vg-气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压

Vgi-气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压

(4)气敏元件的响应时间

表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63%时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。

(5)气敏元件的加热电阻和加热功率

气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω;旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用PH表示。一般在(0.5~2.0)W范围。

(6)气敏元件的恢复时间

表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63%时所需时间。

2、烧结型SnO2气敏元件

SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。

其敏感体用粒径很小(平均粒径≤1μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。

(1)直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)

由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。

2)旁热式SnO2气敏元件

旁热式气敏器件结构及符号

1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。半导体传感器以其易于实现集成化，微型化、灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。它与各种结构型传感器相比，具有如下特点:

由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化;

灵敏度高，动态性能好，输出为电量;

采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化，智能化;

功耗低，安全可靠。同时，半导体传感器也存在以下一些缺点:

线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路;

与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施;

性能参数离散性大。

虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。

从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器，如，霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。有些内容与其他传感器互相交叉，已在其它章中介绍。本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体式传感器。

声波器件表面的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

薄膜气敏传感器

气敏膜传感器是按照用途分类之中的一种。此类传感器是研发的，早期只对监测，后来开始能够监测。

气体检测方法:一般使用气相色谱仪或者气敏传感器对气体进行检测

声表面波气敏传感器涉及重点在于化学界面膜、saw传感器及电子线路3个方面。在应用中，为了消除环境温度、压力、湿度等因素对测量结果的影响，通常采用双通道结构，如下图所示。一个通道上镀以敏感膜用于测量，另一个是未镀膜的参考通道用于对环境温度、压力、湿度等因素的补偿，通过计算可以得到两者间频率的差，从而得出待测气体浓度。 一个完整的声表面波气敏传感器通常由石英声表面波装置(st-quartz saw device)、saw装置检测片(saw device detector block)、振幅测量系统(amplitude measurement system)、相测量系统(phase measurement system)、频率测量系统(frequency measurement system)、压力监测系统(pressure monitoring system)、温度控制系统(temperature control system)、温度压力检测仪(temperatureand pressure test apparatus)、数据软件(data acquisition software)等组成，这些设备共同构成saw传感器，完成检测。