第 12章
气敏、湿敏传感器
电子信息及电气工程系
2、分类,
体型、表面型
电阻型,
非电阻型
二,SnO2的工
作原理
表面型 /电阻型
12-1 半导体气敏传感器
一、概述
1、被测量,气体的类别、成分、浓度
气 -电转换
SnO2的金红石结构
材料特点,多孔材料在晶
体组织上使锡或氧偏离化
学计量，造成氧不足（产
生氧空位和锡原子间隙）
，在靠近禁带的地方形成
施主能级，其上的电子很
容易激发到导带。
RS, RU 对元件电阻起
支配作用，受表面状态与
晶粒大小的影响。
Rb RS
RU
Rb晶粒等效电阻
RS晶粒表面电阻
RU晶粒颈部电阻
平时 SnO2在空气中放臵，氧吸附在其表面形成
吸附氧，从半导体表面获得电子，形成受主型表
面能级，呈负电荷吸附状态，形成电子势垒。
气体 吸附 R增加
当接触还原性气体时，被测气体同吸附氧发
生反应，减少了吸附氧的密度，降低的电子势垒
，使 R减少 。添加催化剂可促进上述反应。
?? ??? nneO 2
2
1
二,SnO2的结构及相关参数
1,SnO2半导体气敏效应受以下因素影响,
1） SnO2的结构组成（氧空位多气敏效应明
显）；
2） SnO2的添加物；
3）烧结温度和元件工作时的加热温度。
2,烧结型 SnO2半导体气敏元件
1）分类,SnO2气敏元件类型：烧结型、薄膜
型、厚膜型；
2）主要用途,
检测还原性气体、可燃性气体、液体蒸汽
，工作时需加热到 300度左右。
厚膜型
烧结型 薄膜型
添加钯 添加铂
添加氧化钍（ ThO2）
可对 CO浓度进行精确测量
3）结构
直热式 SnO2气敏元件
制作工艺简单、成本低、功耗小，可在高
回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄
漏报警器（国内的 QN,MQ型）。
旁热式 SnO2气敏元件,
加热丝与测量极分开，避免了回路间的相互
影响，增加了材料结构的稳定性、可靠性（型号
有 QM-N5）。
3、烧结型 SnO2的相关参数
利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导
致敏感元件阻值发生变化而制成的。
吸附氧化性
气体时,电阻
增大；
吸附还原性
气体时，电阻减
小。
1）灵敏度, K= RS /R0
K= RS (C2) /R0 (C1)
2）响应时间, Tres
3）恢复时间, Trec
4,SnO2的相关测试电路
洁净空气中的电阻 —— 标准电阻
工作条件中的电阻 —— 工作电阻
不同浓度中的电阻比
直流稳压
0-10V
直流稳压
0-20V
QM-N5
RL
加热电源
工作电源
LS
L
LRL
LS
RR
RU
RIU
RR
U
I
?
??
?
?
0
0
0
0
通过 URL与气敏元件电阻 RS电阻的对应关系可测
得被测气体的状态。
RS
RS
1）灵敏度特性：在低浓度气体中的灵敏度高
2）温湿度特性,SnO2气敏元件与 温湿度有一
定依赖关系，故需加温湿度补偿。
3）加热特性：元件电阻与加热电压有关，需
选择一合适的加热电压。
4）初期恢复与初期稳定特性,SnO2长期不通
电长期存放，会出现高阻化，通电后电阻急
剧变化，随后趋于稳定值。
5、烧结型 SnO2气敏元件的基本特性
5）长期工作稳定性：可连续工作数年，电阻变化
小，寿命长。
三、特点
简单，价低，
可靠性高，灵
敏度高，机械
性能好，吸附
/脱附时间短
，阻值 -浓度
呈指数关系
五、应用
1）范围：检测易燃、易爆和有毒气体，环境气
体（氧气、水蒸汽、大气污染），工业气体（ CO1
,CO2燃烧控制，烟雾（火灾报警）、司机呼出酒
精检测等。
2）功能：检漏、报警、控制（开关量，灵敏度
要求高），检测仪表（要求精度高，线性好）。
3）检测对象：特定气体检测，选择性气体检测
，环境气氛变化综合检测。
4）信号提取,
吸附平衡状态稳定值 RS（常用），吸附平衡
状态速度（气体不同速度不同），平衡值与温度
的依存性
5）信号处理方法,
绝对值，相对值，微分值，积分值。
12-2 半导体湿敏传感器
一、概述
1、几个概念,
湿度,指空气中所含有的水蒸汽量。
理想空气,氮 78%，氧 21%，其它成分 1%（无水）
潮湿空气,理想空气与水蒸汽的混合体。
多尔顿定律,潮湿空气的全压应等于该混合物中
各种气体分压之和。
2、湿度的表示方法和单位
1）水蒸气分压,根据多尔顿定律，只要测出潮
湿空气中水蒸气的分压即可知道湿度。
但我们现在无法直接测出水蒸气的分压。
2）绝对湿度（ AH）,单位体积内所含水蒸汽
的质量（ g/m3）。
3）相对湿度（ RH）,气体的水蒸气分压与同
温度下的饱和水蒸气压的比值；
另一种表示,
绝对湿度
同温度时饱和状态的绝对湿度 100%
RH,
4）露点,保持压力一定而降低待测气体温度
至某一数值时，待测气体中的水蒸汽达到饱
和状态开始或结霜，此时的温度称为这种气
体的露点或霜点。
二、湿度的测量方法与是湿敏元件
1、湿度的测量方法,绝对测湿法，干、湿球
温度计，毛发计等，需目测或换算。
2、湿敏元件,
水分子亲和力型,
电解质式
高分子材料式
金属氧化物膜式
金属氧化物陶瓷式
非水分子亲和力型,
热敏电阻式
红外吸收式
微波式
超声波式
三、烧结型半导体湿敏元件（水分子亲和力
型）
1、工作原理,
材料特点,多孔结构的多晶体，半导化过程造成氧
元素过剩或不足，造成大
量的电子空穴对，使 RU 远
大于 Rb，成为电阻的主要
部分。
水分子在其表面和晶
粒界面的吸收引起 RS, RU
的变化，形成负的湿敏特
性。
Rb RS
RU
Rb晶粒等效电阻
RS晶粒表面电阻
RU晶粒颈部电阻
吸附过程,
第一层吸附：化学吸附
第二层吸附：物理吸附
第三层吸附：物理吸附
H3O+的浓度进一步增加
R↓ 负的湿敏特性
2,MgCr2O4-TiO2半导体湿度敏感元件
1）材料及特点,MgCr2O4为立方尖晶石型结构
,P型半导体； TiO2为红石型结构,N型半导
体，二者的成分适当配比。使用范围宽，响
应快，受温度影响小，工作稳定。
+ O- H+ OH- H2O
+ O- H+ OH-
H2O
H2O H3O+
2）元件的结构,
3）元件的性能
元件的感湿特性曲线,β 为材料常数
松下 Ⅱ 型,R=R0exp（ βRH ）
4）元件的加热清洗：去表面杂质，恢复吸附
能力。
加热电压,9V
加热时间,10S
加热温度,400～ 5000C
恢复时间,240S
五、应用
汽车挡风玻璃
自动去湿装臵
H为结露感湿元件
气敏、湿敏传感器
电子信息及电气工程系
2、分类,
体型、表面型
电阻型,
非电阻型
二,SnO2的工
作原理
表面型 /电阻型
12-1 半导体气敏传感器
一、概述
1、被测量,气体的类别、成分、浓度
气 -电转换
SnO2的金红石结构
材料特点,多孔材料在晶
体组织上使锡或氧偏离化
学计量，造成氧不足（产
生氧空位和锡原子间隙）
，在靠近禁带的地方形成
施主能级，其上的电子很
容易激发到导带。
RS, RU 对元件电阻起
支配作用，受表面状态与
晶粒大小的影响。
Rb RS
RU
Rb晶粒等效电阻
RS晶粒表面电阻
RU晶粒颈部电阻
平时 SnO2在空气中放臵，氧吸附在其表面形成
吸附氧，从半导体表面获得电子，形成受主型表
面能级，呈负电荷吸附状态，形成电子势垒。
气体 吸附 R增加
当接触还原性气体时，被测气体同吸附氧发
生反应，减少了吸附氧的密度，降低的电子势垒
，使 R减少 。添加催化剂可促进上述反应。
?? ??? nneO 2
2
1
二,SnO2的结构及相关参数
1,SnO2半导体气敏效应受以下因素影响,
1） SnO2的结构组成（氧空位多气敏效应明
显）；
2） SnO2的添加物；
3）烧结温度和元件工作时的加热温度。
2,烧结型 SnO2半导体气敏元件
1）分类,SnO2气敏元件类型：烧结型、薄膜
型、厚膜型；
2）主要用途,
检测还原性气体、可燃性气体、液体蒸汽
，工作时需加热到 300度左右。
厚膜型
烧结型 薄膜型
添加钯 添加铂
添加氧化钍（ ThO2）
可对 CO浓度进行精确测量
3）结构
直热式 SnO2气敏元件
制作工艺简单、成本低、功耗小，可在高
回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄
漏报警器（国内的 QN,MQ型）。
旁热式 SnO2气敏元件,
加热丝与测量极分开，避免了回路间的相互
影响，增加了材料结构的稳定性、可靠性（型号
有 QM-N5）。
3、烧结型 SnO2的相关参数
利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导
致敏感元件阻值发生变化而制成的。
吸附氧化性
气体时,电阻
增大；
吸附还原性
气体时，电阻减
小。
1）灵敏度, K= RS /R0
K= RS (C2) /R0 (C1)
2）响应时间, Tres
3）恢复时间, Trec
4,SnO2的相关测试电路
洁净空气中的电阻 —— 标准电阻
工作条件中的电阻 —— 工作电阻
不同浓度中的电阻比
直流稳压
0-10V
直流稳压
0-20V
QM-N5
RL
加热电源
工作电源
LS
L
LRL
LS
RR
RU
RIU
RR
U
I
?
??
?
?
0
0
0
0
通过 URL与气敏元件电阻 RS电阻的对应关系可测
得被测气体的状态。
RS
RS
1）灵敏度特性：在低浓度气体中的灵敏度高
2）温湿度特性,SnO2气敏元件与 温湿度有一
定依赖关系，故需加温湿度补偿。
3）加热特性：元件电阻与加热电压有关，需
选择一合适的加热电压。
4）初期恢复与初期稳定特性,SnO2长期不通
电长期存放，会出现高阻化，通电后电阻急
剧变化，随后趋于稳定值。
5、烧结型 SnO2气敏元件的基本特性
5）长期工作稳定性：可连续工作数年，电阻变化
小，寿命长。
三、特点
简单，价低，
可靠性高，灵
敏度高，机械
性能好，吸附
/脱附时间短
，阻值 -浓度
呈指数关系
五、应用
1）范围：检测易燃、易爆和有毒气体，环境气
体（氧气、水蒸汽、大气污染），工业气体（ CO1
,CO2燃烧控制，烟雾（火灾报警）、司机呼出酒
精检测等。
2）功能：检漏、报警、控制（开关量，灵敏度
要求高），检测仪表（要求精度高，线性好）。
3）检测对象：特定气体检测，选择性气体检测
，环境气氛变化综合检测。
4）信号提取,
吸附平衡状态稳定值 RS（常用），吸附平衡
状态速度（气体不同速度不同），平衡值与温度
的依存性
5）信号处理方法,
绝对值，相对值，微分值，积分值。
12-2 半导体湿敏传感器
一、概述
1、几个概念,
湿度,指空气中所含有的水蒸汽量。
理想空气,氮 78%，氧 21%，其它成分 1%（无水）
潮湿空气,理想空气与水蒸汽的混合体。
多尔顿定律,潮湿空气的全压应等于该混合物中
各种气体分压之和。
2、湿度的表示方法和单位
1）水蒸气分压,根据多尔顿定律，只要测出潮
湿空气中水蒸气的分压即可知道湿度。
但我们现在无法直接测出水蒸气的分压。
2）绝对湿度（ AH）,单位体积内所含水蒸汽
的质量（ g/m3）。
3）相对湿度（ RH）,气体的水蒸气分压与同
温度下的饱和水蒸气压的比值；
另一种表示,
绝对湿度
同温度时饱和状态的绝对湿度 100%
RH,
4）露点,保持压力一定而降低待测气体温度
至某一数值时，待测气体中的水蒸汽达到饱
和状态开始或结霜，此时的温度称为这种气
体的露点或霜点。
二、湿度的测量方法与是湿敏元件
1、湿度的测量方法,绝对测湿法，干、湿球
温度计，毛发计等，需目测或换算。
2、湿敏元件,
水分子亲和力型,
电解质式
高分子材料式
金属氧化物膜式
金属氧化物陶瓷式
非水分子亲和力型,
热敏电阻式
红外吸收式
微波式
超声波式
三、烧结型半导体湿敏元件（水分子亲和力
型）
1、工作原理,
材料特点,多孔结构的多晶体，半导化过程造成氧
元素过剩或不足，造成大
量的电子空穴对，使 RU 远
大于 Rb，成为电阻的主要
部分。
水分子在其表面和晶
粒界面的吸收引起 RS, RU
的变化，形成负的湿敏特
性。
Rb RS
RU
Rb晶粒等效电阻
RS晶粒表面电阻
RU晶粒颈部电阻
吸附过程,
第一层吸附：化学吸附
第二层吸附：物理吸附
第三层吸附：物理吸附
H3O+的浓度进一步增加
R↓ 负的湿敏特性
2,MgCr2O4-TiO2半导体湿度敏感元件
1）材料及特点,MgCr2O4为立方尖晶石型结构
,P型半导体； TiO2为红石型结构,N型半导
体，二者的成分适当配比。使用范围宽，响
应快，受温度影响小，工作稳定。
+ O- H+ OH- H2O
+ O- H+ OH-
H2O
H2O H3O+
2）元件的结构,
3）元件的性能
元件的感湿特性曲线,β 为材料常数
松下 Ⅱ 型,R=R0exp（ βRH ）
4）元件的加热清洗：去表面杂质，恢复吸附
能力。
加热电压,9V
加热时间,10S
加热温度,400～ 5000C
恢复时间,240S
五、应用
汽车挡风玻璃
自动去湿装臵
H为结露感湿元件
