半导体敏感元件(气敏)

MQ-7 一氧化碳气体检测用半导体气敏元件MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO 2)。

采用高低温循环检测方式低温（1.5V 加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V 加热）清洗低温时吸附的杂散气体。

使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

特点 元件外形结构 *对一氧化碳气体有良好的灵敏度 *长寿命、低成本 *简单的驱动电路即可应用*家庭用气体泄漏报警器 *工业用一氧化碳气体报警器 *便携式气体检测器技术指标基本测试回路上图是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电 压：加热器电压（V H ）和测试电压（V C ）。

其中 V H 用于为传 感器提供特定的工作温度。

V C 则是用于测定与传感器串联 的负载电阻（R L ）上的电压（V RL ）。

这种传感器具有轻微的 极性， V C 需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提 下，V C 和V H 可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的 性能，需要选择恰当的RL 值。

敏感体功耗（Ps ）值可用计算下式：Ps=Vc 2×Rs/(Rs+R L )2产品型号 MQ-7产品类型 半导体气敏元件标准封装 塑封检测气体 一氧化碳检测浓度 10-1000ppmCO 标准电路条件回路电压 V c ≤10V DC加热电压 V H 5.0V±0.2V ACorDC （高） 1.5V ±0.1V ACorDC （低）加热时间 T L 60±1S （高）90±1S （低）负载电阻R L 可调标准测试条件下元件特性 加热电阻 R H 31Ω±3Ω（室温）加热功耗 P H ≤350mW敏感体表面电阻 R s 2K Ω-20K Ω(in100ppmCO) 灵敏度 S Rs(in air)/Rs(100ppmCO)≥5浓度斜率α≤0.6(R 300ppm /R 100ppm CO) 标准测试条件温度、湿度 20℃±2℃；65%±5%RH 标准测试电路 Vc:5.0V±0.1V ； V H （高）: 5.0V±0.1V ； V H（低）: 1.5V±0.1V 预热时间不少于48小时VcV HGNDR LV RL传感器电阻（Rs），可用下式计算： Rs=(Vc/V RL-1)×R LSO9001认证企业灵敏度特性 温/湿度的影响图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。

电阻式半导体气敏传感器的基本性能分析09电本120091004106 成绩：摘要：利用理论分析与参阅相关技术手册，了解电阻式半导体气敏传感器的结构，基本原理，推导气敏传感器的特性参数：电阻值，灵敏度，漂移等。

能够在充分研究理论知识之后，学会简单的应用，设计电路，利用温度补偿降低其对传感器稳定性的影响。

关键词：电阻半导体气敏传感器基本原理特性参数温度补偿The basic performance analysis of Resistance-typesemiconductor gas sensorAbstractAccording to the theoretical analysis, refer to the relevant technical manual to understand the structure of Resistance-type semiconductor gas sensor and it's basic principles. Derive the characteristic parameters of gas sensors,like sensitivity, linearity, drift, selection characteristics.Making full use of the theoretical knowledge , learn simple applications to design a circuit for using the temperature compensation to reduce its impact on the stability of the sensor.Keywords:Resistance-type semiconductorbasic principles characteristic parameters the temperature compensation引言气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。

简述气敏元件的工作原理
气敏元件的敏感材料主要分为两种：一种是金属氧化物敏感材料，如二氧化锡、氧化锌、氧化铝等；另一种是半导体敏感材料，如锗、硅等。

这些敏感材料的电阻值会随着气体浓度的变化而发生变化，因此可以通过测量电阻值的变化来检测气体浓度。

气敏元件的工作原理可以分为两种：一种是基于化学反应的工作原理，另一种是基于物理吸附的工作原理。

基于化学反应的气敏元件的工作原理是：敏感材料与气体发生化学反应，导致电阻值的变化。

例如，当二氧化锡敏感材料与一氧化碳气体发生反应时，会产生一种新的化合物，导致敏感材料的电阻值发生变化。

这种变化可以通过测量电阻值来检测气体浓度。

基于物理吸附的气敏元件的工作原理是：敏感材料表面会吸附气体分子，导致电阻值的变化。

例如，当氧化锌敏感材料表面吸附氧气分子时，会导致电阻值的降低。

这种变化可以通过测量电阻值来检测气体浓度。

气敏元件的电极是将敏感材料与电路连接的部分，它通常由金属材料制成，如银、铜等。

电极的作用是提供电流和测量电阻值。

气敏元件的封装是将气敏元件包裹在外壳中，以保护敏感材料和电路不受外界环境的影响。

封装通常使用塑料材料，如聚酰亚胺、聚苯乙烯等。

总的来说，气敏元件的工作原理是利用敏感材料在不同气体浓度下电阻值的变化来检测气体浓度。

它是一种重要的传感器，广泛应用
于工业、医疗、环保等领域。

第五章其它类型传感器5.1 气敏传感器一、简介气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制，用来检测气体类别、浓度和成分。

它将气体种类及其浓度等相关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与气体有关的信息。

气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。

气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。

因此，对气敏元件有下列要求：需要对被测气体具有较高的灵敏度，对被测气体以外的共存气体或物质不敏感，其特点是性能稳定，重复性好 ,动态特性好，对检测信号响应迅速，使用寿命长，制造成本低，使用与维护方便等。

二、半导体气敏传感器的工作原理气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。

目前实际使用最多的是半导体气敏传感器电阻型半导体气。

气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。

半导体气敏材料吸附气体的能力很强。

当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。

下面以电阻型半导体气敏材料为例说明气敏传感器的工作原理，SnO2N型半导体，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。

氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附到P 型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。

一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。

气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。

1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。

还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。

2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。

其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。

当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。

二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。

检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。

图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。

新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。

本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。

第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。

3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。

二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。

气敏传感器主要参数
气敏传感器是一种用于检测气体浓度的传感器，具有灵敏度高、
响应速度快等特点，广泛应用于环境监测、工业生产等领域。

其主要
参数包括灵敏度、响应时间、反应范围等，下面给大家详细介绍。

一、灵敏度：
灵敏度是气敏传感器的一个重要参数，可以衡量传感器对于目标
气体的检测灵敏程度。

一般来说，灵敏度越高，传感器对于目标气体
的检测能力就越强。

而气敏传感器的灵敏度主要由其敏感材料决定，
不同的敏感材料适用于不同的目标气体。

二、响应时间：
响应时间是指气敏传感器从接收到目标气体到输出信号变化所需
要的时间。

一般来说，响应时间越短，传感器的实时性就越高。

然而，响应时间短也会导致传感器对于噪声和干扰的抗干扰能力下降，需要
在使用时做出平衡。

三、反应范围：
反应范围是气敏传感器对目标气体检测的浓度范围。

反应范围应
当覆盖到目标气体浓度的实际使用范围，过高或过低的浓度均不利于
传感器的使用。

同时，传感器的反应范围也会受到环境参数的影响，
要在具体使用场景中进行细化调整。

综上所述，气敏传感器的灵敏度、响应时间和反应范围三大主要参数根据具体应用场景的需求进行不同程度的调整。

在使用过程中，也需要对传感器进行定期检测、校准和维护，以确保其在长期使用过程中能够正常稳定地发挥作用，为环境监测、工业生产等领域提供准确可靠的数据支持。

半导体气敏传感器法与电化学传感器法甲醛检测仪性能比较李学辉 唐巍飚 钟义林 陈希尧 丁臻敏 刘悦 / 上海市计量测试技术研究院摘　要　对10批次便携式半导体气敏传感器法甲醛检测仪和10批次电化学传感器法甲醛检测仪的示值误差进行比较。

用30 m3环境舱静态模拟三种不同甲醛浓度的室内环境。

结果表明，在设定的环境中,便携式半导体气敏传感器法甲醛检测仪与酚试剂分光光度法检测结果的示值误差大于15%，不适用于室内环境中甲醛浓度的准确检测；而电化学传感器法甲醛检测仪与酚试剂分光光度法检测结果的示值误差均小于15%，适用于室内环境甲醛浓度的准确检测。

关键词　半导体气敏传感器；电化学传感器；甲醛检测仪；示值误差；比较0 引言随着环保事业的发展，越来越多的企业和居民关注居住和工作环境。

在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，这些污染物中以甲醛最为常见。

甲醛是原生性毒物，也是具有挥发性质的有机化合物，甲醛原液具有强烈的刺激性气味，室内装修时使用的贴面板、合成地板、木屑板等都会带来甲醛。

甲醛不像其他有机物，在装修好的屋子中几乎闻不到其刺激性气味，人们通常认为闻不到气味的室内环境是安全的，实际上闻不到气味是甲醛浓度不够高（已超标），且甲醛的释放周期长达8～15 a。

甲醛可通过呼吸道系统、消化道系统、皮肤系统进入人体，进而对神经系统产生影响，使人感到不适，并导致注意力分散，工作效率降低，产生头痛、恶心、疲劳、皮肤红肿等症状，严重的可引发婴儿畸形、白血病和多种癌症[3]。

室内环境污染物甲醛的标准测定方法比较复杂，需要委托专业的实验室完成，且检测周期较长，费用较高，检测结果如为不合格还需过段时间再次检测，这种方法很难满足不同消费者对甲醛检测的需要，因此，市场上便携式甲醛检测仪的销量越来越高，便携式甲醛检测仪测试的数据是否准确就显得尤为重要。

便携式传感器法甲醛检测仪无需使用化学试剂或试纸条，操作简单方便。

产品说明书半导体气敏元件系列MQ135 空气污染控制用半导体气敏元件 MQ135气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。

当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害气体的监测也很理想。

这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

特点元件外形结构*在较宽的浓度范围内对有害气体有良好的灵敏度 *对氨气、硫化物、苯系等气氛灵敏度较高*长寿命、低成本*简单的驱动电路即可应用*家庭用空气污染报警器*工业用空气污染报警器*便携式空气污染检测器技术指标产品型号 MQ135产品类型 半导体气敏元件标准封装 胶木（黑胶木）检测气体 氨气、硫化物、苯系蒸汽检测浓度 10-1000ppm(氨气、甲苯、氢气)标准电路条件 回路电压 Vc ≤24V DC加热电压V H 5.0V±0.2V ACorDC 负载电阻R L 可调标准测试条件下气敏元件特性 加热电阻R H 31Ω±3Ω（室温）加热功耗P H ≤900mW敏感体表面电阻Rs 2KΩ-20KΩ(in 100ppm NH3)灵敏度 SRs(in air)/Rs(100ppmNH3)≥5浓度斜率 α ≤0.6(R100ppm/R50ppm NH3)标准测试条件温度、湿度 20℃±2℃；65%±5%RH标准测试电路Vc:5.0V±0.1V；V H: 5.0V±0.1V预热时间 不少于48小时基本测试回路VcVR LV RLHGND上图是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电压：加热器电压（V H）和测试电压（V C）。

其中 V H用于为传感器提供特定的工作温度。

V C 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R L）上的电压（V RL）。

1国内外气敏传感器的产生与发展气敏传感器又称“气体传感器”，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号输出的传感器件，是化学传感器中最活跃的一种。

早在20世纪30年代人们就已发现金属氧化物具有气敏效应，而半导体气敏元件则是在60年代初期研制成功的，最先研制的ZnO薄膜元件，它是利用ZnO薄膜电阻接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。

继而又发现在SnO2中添加Pt或Pd等贵重金属做增感剂能提高其灵敏度[1]。

日本气体传感器经过20多年的发展，其制造技术与产品水平已提高到相当水准，由日本费加罗技术研究公司规模生产的SnO2系列气敏传感器达21种规格，广泛用于11种气体的测量。

在美国，氧传感器主要用于汽车发动机空/燃比控制和家用报警器。

英国电气阀门公司生产的催化燃烧型气敏传感器，德国DraegerwerkAG生产的医用薄膜型气敏传感器，瑞士CerbertlsLlmited生产的火灾报警用气敏传感器等，都是世人所熟悉的[2]。

20世纪70年代中期我国开始研制金属氧化物半导体气敏传感器和钯栅MOS场效应氢敏晶体管，并开始在家用燃气报警器和电力工业变压器油变质监测上应用。

近年来我国的气敏传感器技术飞速发展，全国有30多所高等院校和研究所研究开发各种类型的气敏传感器，在工艺方面引入表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺；另外新研究的AL2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体也开始用于气敏材料。

但与国外发达国家相比还有较大差距，主要体现在产品生产技术和产业化等方面。

2工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂志缺陷制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化锌等，P型半导体，如氧化钴、氧化铅等。

为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还掺入了钯、铂、银等催化剂。

金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。

实验？？气敏材料性能检测一、实验目的1.了解气敏材料性能的测试方法2.了解气敏材料测试仪的基本操作方法二、概述气体传感器属于化学传感器，它是利用传感器与被测气体进行化学反应，并把反应结果转换成电信号再加以检测。

气体传感器种类繁多，分类方式也不少。

可以按照使用的材料来分．如半导体气体传感器，固体解质气体传感器等。

气体传感器中最核心、最重要的部件就是传感元件中的气体敏感材料，气体敏感材料对特种气体的灵敏度和选择性以及稳定性等等性能的好坏是这种气体传感器优劣的标志，所以气敏材料的研究是科技工作者的研究重点。

一种良好的气体传感器需要在以下几个方面体现其优越性，这几种主要参数特性如下：(1)灵敏度：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,它是气敏传感器的一个重要参数。

灵敏度表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系，一般采用电阻比（或电压比）来表示灵敏度S：S=Ra / Rg = Vg / Va (对n型半导体)S=Rg / Ra = Va / Vg (对p型半导体)(其中Ra表示电阻型气敏元件在洁净空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值, Rg表示在被测气体中的电阻值称为实测电阻值)(2)响应时间与恢复时间：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，一般指气敏元件与一定浓度被测气体开始接触时，到气敏元件电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%所需的时间。

一般用符号t res表示。

而恢复时间表示在工作温度下，被测气体从该元件上解吸的速度。

一般从气敏元件脱离被测气体开始计时，直到其电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%为止，所需的时间称为恢复时间。

通常用符号t rec表示。

(3)选择性：在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力称为选择性。

对某种气体的选择性好就表示气敏元件对它有较高的灵敏度。

选择性是气敏元件的重要参数。

(4)稳定性：当气体浓度不变，若其它条件发生变化时，在规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力称为稳定性。