1、华东理工大学 2016-2017 学年第 一 学期研究生新型传感器技术 课程考试试卷 2017 年 1 月开课学院： 机械与动力工程学院 任课教师： 钱志勤 考生姓名： 殷磊 学号： Y30160369 成绩： 论文题目：气敏传感器的介绍与发展趋势论文要求：结合本课程讲授内容，查阅有关论文资料，写一篇关于“新型传感器技术”的课程论文，要求：1、 论文题目自定。论文内容在本课程讲授有关章节内容领域范围内，可以是：1 自己设计一类传感器。2 某具体研究方向或内容的传感器技术现状及发展趋势。2、 论文格式规范（参考华东理工大学学报期刊论文格式），有：论文题目、作者、班级学号、论文摘要、关键词、论文正
2、文、参考文献等。3、 论文介绍流畅、文字表达意思清晰、文章结构逻辑层次分明4、 撰写论文不得同学间互相抄袭，不要全文抄袭各种已公开发表的文章。5、 论文格式：采用 A4 纸打印；正文 5 号宋体，论文题目 4 号宋体加粗，章标题小 4 号宋体加粗，节标题 5 号宋体加粗；段落行距 1.25；页边距上下左右均为2cm。教师评语：论文选题和内容（20%）文献资料、撰写论文（30%）文字表达（30%）论文格式规范（20%）等级评分评语和评分标准详见新型传感器技术课程论文评分表教师签字：2016 年 1 月 11 日新型传感器技术课程论文评分表项目（权重）等级、评语/标准 参考分 评选评分A、符合课程
3、论文要求，选题和内容好。 19-20B、符合课程论文要求，选题和内容较好。 17C、基本符合课程论文要求，选题和内容一般。 14-15论文选题和内容（20）D、选题不符合课程论文要求，内容较差。 10-11A、使用材料翔实、恰当,掌握大量的背景资料和数据。28-30B、持论有据，有一定的文献材料和理论依据。 24-26C、理论根据及客观材料尚有欠缺，较多抄袭他人。19-22文献资料、撰写论文（30）D、理论根据不充分，客观材料和参考资料空泛， 大量抄袭他人。14-16A、论文结构严谨，论述层次清晰，表达意思清晰，语言准确，文字流畅。28-30B、论文结构合理，层次较为分明，文字通顺，表达意思较
4、清晰。24-26C、论文结构基本合理，层次有些混乱，文字基本通顺，表达意思一般。19-22文字表达（30）D、论文内容空乏，介绍较差，结构混乱，文字表达不清，错别字较多。14-16A、论文格式规范。 19-20B、论文格式较规范（题目、作者、摘要、正文、参考文献、打印排版）。17C、论文格式规范一般（题目、作者、摘要、正文、参考文献、打印排版）。14-15论文格式规范（20）D、论文格式不规范。 10-11成 绩 合 计气敏传感器的原理及发展状况0气敏传感器的介绍及发展状况机硕 161 班 Y30160369 殷磊（华东理工大学 机械与动力工程学院 上海 200237）本文以气敏传感器为研究对
5、象，介绍了气敏传感器的主要特性及其分类的依据。并对国内外的研究现状作了介绍。之后详细分析了主要的几种气敏传感器的工作原理。同时，也阐述了气敏传感器的主要应用领域以及气敏传感器研究的新方向，并最终依据现在的发展状况对气敏传感器的未来发展趋势做了展望。关键词：气敏传感器，原理，应用，发展趋势Abstract:Taking the gas sensor as the research object, this paper introduces the main characteristics of gas sensors and their classification basis. And the
6、 present research situation at home and abroad is introduced. And the present research situation at home and abroad is introduced. After that, the working principle of several gas sensors is analyzed in detail. At the same time, the main application fields of gas sensor and the new research directio
7、n of gas sensor are expounded. Finally, the future development trend of gas sensor is forecasted based on the present development situation.Key words: gas sensor, principle,application, development trend1 气敏传感器的特性及其分类1.1 气敏传感器的定义气敏传感器俗称“ 电子鼻”，是一种用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可
8、获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警。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, 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，所以其工作条件较恶劣，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：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； 性能稳定，重复性好，寿命长； 动态特性好，对检测信号响应迅速；制造成本低，使用与维护
9、方便等。 1.2 气敏传感器的主要特性灵敏度：对气体的敏感程度；气敏传感器的原理及发展状况1响应时间：对被测气体浓度的响应速度；选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力；稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力；温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性；湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性；电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性； 时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性。 1.3 气敏传感器的分类近年来，气敏传感器
10、在医疗、空气净化、家用燃气、工业生产等领域得到了普遍应用，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，检测特定气体成分或测量其浓度的传感器总称，是以检测气体成分和含量为目的研究的传感器。气敏传感器的种类按照气敏特性来分，主要分为：半导体型气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、电化学气敏传感器等，还有红外吸收型、石英振荡型、光线型、热传导型、声表面波型等。其中用得最多的是半导体气敏传感器。之后会详细介绍半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器以及电化学气敏传感器的工作原理。半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电
11、阻随着气体含量不同而变化。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点；不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高。电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式。目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性，不足之处是有寿命的限制，一般为两年。接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体，又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式。原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃
12、烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化，后者因为催化剂的关系应用更广。2 气敏传感器的国内外发展现状国外，目前应用最广泛的是可燃性气体气敏传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在 1980 年 1 月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986 年 5 月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有 6 个州立法，规定家庭、公寓等都要安装气敏报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅的，也有用气敏传感器的原理及发展状况2于饮食餐店、医院、学校、工厂的。气体检测技术与计算机技术相结合
13、，实现了智能化、多功能化。国内，气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，也已有了一定的基础。其现状是：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量 90%以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气敏传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试。据行业协会统计，1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用
14、技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后 10 年。国内，气敏传感器发展应以市场为导向，以国民经济现代化需求和人民生命财产安全服务为目标，以新型气敏元件传感器开发和大量需求的气敏元件传感器专业化大生产为重点，搞好推广普及和应用，发展和完善气敏元件传感器、变送器、报警器和应用装置系统等气敏综合应用技术，组建有竞争力的企业集团，开发有自己知识产权的产品，推动我国气敏技术跨上一个新台阶。在具备条件的企业或企业集团建立技术中心，配备先进开发手段；产品工艺方面，重点解决厚膜、电化学和集成工艺技术，发展 MEMS 技术；主要产品质量
15、达到世界同期先进水平；开发具有知识产权的新产品，如常温低功耗气敏传感器，新型环境气敏传感器等。3 气敏电阻的工作原理3.1 半导体式气敏传感器的工作原理半导体气敏传感器,如图 1 所示，由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的 、 、 等金属氧化物中添加 Pt、Pd 等敏化剂的传感器。2SnO2Fe2Zn图 1 半导体气敏传感器结构图半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物) 表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量 ,其间的一部分分子蒸发,
16、残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附) 。气敏传感器的原理及发展状况3按照半导体变化的物理特性，半导体气敏传感器又可分为电阻型和非电阻型。电阻型半导体气敏元件：是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件：是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。电阻式半导体气敏传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。它具有成本
17、低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高。当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。现在除了传统的 、 、 三大类外，又研究开发了一批新型材料，包2SnO2Fe2Zn括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发，大大提高了气体传感器的特性和应用范围。另外，通过在半导体内添加Pt、Pd、Ir 等贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响应时间。它能降低被测气体的化学吸附的活化能，因而可以提高其灵敏度和加快反应速度。催化剂不同，导致有利于不同
18、的吸附试样，从而具有选择性。利用薄膜技术、超粒子薄膜技术制造的金属氧化物气体传感器具有灵敏度高(可达 10-9 级) 、一致性好、小型化、易集成等特点。 非电阻式半导体气敏传感器是 MOS 二极管式和结型二极管式以及场效应管(MOSFET)半导体气敏传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。其中，MOSFET 气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC) 与催化金属接触发生反应，反应产物扩散到 MOSFET 的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别 VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度MOSFET 气敏传感器灵
19、敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。3.2 接触燃烧式气敏传感器工作原理接触燃烧式气敏传感器的检测元件是在铂丝线圈(0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状，经烧结而成，其外表敷有铂、钯等稀有金属的催化层, 其结构如图 2 所示。对铂丝线圈通以电流，使检测元件保持高温(300400) 。此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝线圈的温度就会上升，铂丝线圈的电阻值也上升。测量铂丝电阻变化的大小就可以知道可燃性气体的浓度。气敏传感器的原理及发展状况4图 2 接触燃烧气敏传感器的结构 在实际应用中，常采用电桥测量电路，如图 3 所示。在电桥中接一个补偿器，起到平衡电桥作用
20、，补偿器的结构与检测元件基本相同，只是没有敷设催化层。当空气中有一定浓度可燃气体时，传感器由于燃烧而阻值上升，电桥失去平衡，有电压输出，起到检测作用。图 3 接触燃烧气敏传感器电桥测试电路 3.3 电化学气敏传感器工作原理电化学气敏传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量。其中气敏电极测量一些溶解在溶液中气体的含量或者用于环境监测，如O2、CO2、SO2、NH3、HCN 、HF 等气体，尤其是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶劣环境和高浓度的场合。这些气体传感器结构简单，选择性好，而且能快速响应，便于自动测量和控制。该传感器的工作核心是恒定电位电解式传感器，它是
21、一种湿式气敏传感器。如图 4 所示，它是用透气性隔膜、工作电极、对电极、参照电极和电解质溶液组成的密封结构的合成树脂容器。电路的功能是加电压于传感器电解液中的两个电极，使所测气体进行氧化或者还原，测量气体电解时产生的电流，然后推算出气体的浓度。加在传感器上的恒定电位称为给定电位，但由于传感器的阻抗随其结构而定，故检测到气体并产生电解电流时，给定电位就会发生变化。给定电位变化时，电极的电解反应就不会稳定，从而导致传感器的输出也不稳定。因此在传感器中设置一个没有电解电流的第三电极( 参考电极 R)，通过控制使工作电极 (w)和参考电极之间的电位保持一定，故工作电极和对电极(C)的电位保持一定，构成
22、恒电位仪电路。气敏传感器的原理及发展状况5图 4 恒电位电解式气敏传感器结构4 气敏传感器的应用近年来，气敏传感器的应用越来越广泛其中最主要的任务是防止突发事故，提高生活质量，保障生产过程安全性。按其用途可分为以下几种类型： 气味检测仪 气味检测是气敏传感器未来的主流方向之一，最有潜力的应用领域是食品工业和医学，还有家住环境和舒适度的调节系统等。在开发味敏传感器方面取得的主要成就是在改进提高敏感材料的灵敏度和选择性方面，针对气味的特征成分使用各种掺杂剂，以适应不同的需要。 报警器 这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。 如图 5 是一种最简单的家用气体报警器电路。气-电转换器件
23、采用测试回路高电压的直热式气敏元件 TGS109。当室内可燃性气体增加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。设计报警时，应合理选择开始报警浓度，选低了，灵敏度高，容易产生误报；选高了，又容易造成漏报，起不到报警效果。图 5 恒电位电解式气敏传感器结构自动控制仪器 它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。 环境检测仪在办公室、住宅、汽车、飞机等较密闭环境安装气敏传感器，一方面由于即使少量的有害气体也会对人体造成伤害，所以可用于检测环境质量；另一方面也可用于检测二氧化气敏传感器的原理及
24、发展状况6碳浓度是否超标，提醒人们注意通风换气。5 气敏传感器发展新方向5.1 向低功耗、多功能、集成化方向发展目前国际上气敏传感器发展很快, 一方面是由于人们安全意识增强, 对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到各国政府安全法规的推动。因此，气敏传感器技术得到了较快发展。其发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展 MEMS 技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。5.2 新气敏材料与制作工艺的研究开发由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对
25、气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气敏传感器的研究和开发也越来越重要。深人研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气敏传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气敏传感器的发展方向。有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点，已成为研究的热点。5.3 新型气敏传感器的研制随着新材料、新工艺和新技术的应用，气体传感器的性能更趋完善，使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等
26、优点。随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先进的加工技术和微结构设计， 研制新型传感器及传感器系统，如光波导气敏传感器、高分子声表面波和石英谐振式气敏传感器的开发与使用，微生物气敏传感器和仿生气敏传感器的研究。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气敏传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气敏传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气敏传感器将是该领域的重要研究方向。5.4 生物芯片的开发应用由于硅技术与生物材料相结合己在人类智能工程方面发挥了关键作用，所以它已成为当前最热的研究领域。例如，美国 Motoroal 公司为了创立新学科一分子诊断学，已经制成了一种生物芯片系统单元。此外，Motoroal 公司正在开发一种工艺，可用于生产生物芯片的高密度印刷电路板、平板显示器、厚膜电路和微电子机械传感器。
