气敏传感器的结构与分类

国外从20世纪30年代开始研究气敏传感器。过去气敏传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体 (H2，C4H10，CH4) 等扩展到毒性气体 (CO，NO2，H2S，NO，NH3， PH3) 等。气体传感器种类繁多，按所用气敏材料及气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。气敏传感器一般由三部分组成:敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺来分有: 烧结型、薄膜型和厚膜型三类。它们的结构如图7－1所示。

图7－1 气敏半导体传感器的器件结构

(a) 烧结型气敏器件 (b) 薄膜型器件 (c) 厚膜型器件

(一) 半导体气敏传感器

半导体气敏传感器主要使用半导体气敏材料。自1962年半导体金属氧化物气敏传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的，主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。例如，WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为(5～50)×10－6，ZnO－CuO气体传感器对200×10－6的CO非常敏感。

非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的，主要有MOS二极管式和结型二极管式，以及场效应管式气体传感器。检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。

(二) 固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST－Au－WO3、测量NH3的NH4+CaCO3等。

(三) 接触燃烧式气体传感器

可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。

(四) 高分子气敏传感器

利用高分子气敏材料的气体传感器近年来得到了很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。根据所用材料的气敏特性，这类传感器可分为: 通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器; 根据气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器; 根据高分子气敏材料吸收气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器; 以及根据高分子气敏材料吸收气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其他气体传感器的不足。