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电阻型常温气敏元件的设计及分析
电阻型常温气敏元件的设计及分析
张开文2010.7.26
摘要本文通过认真的分析和计算，结合生产和现行的产品情况分析了常温元件的工作特性和性能参数之间的关系。
明确地提出了常温元件的设计和制造应遵循的原则。
常温元件最重要是元件的初始阻值R0范围为360Ω左右，最佳的阻值范围是200-330Ω，其输出电压VRL应在0.8-1.2V的范围。
为设计和制造常温气敏元件提供一定的依据和一些经验数据。
关键词常温气敏元件自热式气敏元件元件阻值元件功率取样电阻功率
Designandanalysisofresistanceroom-temperaturegassensor
AbstractBasedonpresentroom-temperaturegassensorproducts,detectionanddataanalysiswascarriedouttorevealtherelationshipbetweenitsworkcharacteristicandperformanceparameter.Designandmanufacturingprinciplesfortheroom-temperaturegassensorwereproposed.Resultsshowedresistanceofsensor（R0）wasabout250Ω,optimizedresistancerangewas200Ωto330Ωandcorrespondingoutputvoltage（VRL）was0.8Vto1.2V.
KeywordsRoom-temperaturegassensor，Self-heating，Resistanceofsensor，Powerconsumptionofsensor
0前言金属氧化物半导体气敏元件问世以来已经大半个世纪。
由于其导电机理决定了金属氧化物半导体气敏元件要在一定温度下才能正常工作。
因此金属氧化物半导体气敏元件的结构总是包括气体敏感部分和加热部分两大部分。
然而这给使用和制造打来了不少的麻烦。
为了解决金属氧化物半导体气敏元件的加热问题世界的科学工作者做了大量的研究，但始终没有实现常温型金属氧化物半导体气敏元件。
但是通过大量的研究和实验，根据金属氧化物半导体气敏元件的机理人们研究出了所谓的常温元件，即不带加热器的金属氧化物半导体气敏元件。
半导体气敏元件基于金属氧化物半导体表面吸附气体的电子交换的原理。
所有的物体都具有吸附的特性。
吸附分物理吸附和化学吸附。
通常物理吸附发生在低温阶段，物理吸附一般发生在较高的温度范围。
物理吸附是物体表面靠范德华引力吸附，类似于水汽吸附凝聚成水分子附着在物体的表面，同时表面的水分子也不停的离开表面，在一定的条件下会达到一个平衡。
它们在吸附与脱附的整个过程没有发生化学变化。
也就没有电子的交换过程。
化学吸附实施发生在物体表面的化学反应，有电子的交换，也伴随新的物质的生成。
金属氧化物半导体气敏元件的气敏效应主要利用的是化学吸附效应。
吸附过程同时伴随着脱附过程，吸附与脱附在一定的温度下总会达到一个动态平衡。
吸附与脱附与半导体表面能量有关。
物体表面能量的大小直接影响吸附和脱附的平衡建立过程的快慢。
半导体气敏材料如：
SnO2表面吸附氧化性气体氧气O2时，SnO2将供给O2电子形成氧离子O2→O-2→O-→O-2成为施主，由于失去电子半导体的电导降低。
当半导体表面接触还原性的可燃气体时，还原性气体与半导体表面的氧离子发生氧化还原反映，生成新的物质，同时发生电子交换，电子又回到半导体表面，这样半导体的电导增加。
通过检测半导体的电导变化从而实现对气体的检测。
根据研究半导体SnO2对于一般的可燃性气体的检测温度在350度左右。
氧化锌ZnO半导体的检测温度在400度左右。
也就是说在这样的温度下可以实现对气体的化学吸附。
当然不同的气体其实际的检测温度有所不同。
不论将其做成什么样结构的气敏元件，其工作温度都要满足这一要求。
只不过不同的气体其反应温度有所不同而已。
因此所有的气敏元件都是离不开加热器。
然而加热器又给制作和使用带来许多的不便。
人们想尽各种办法试图甩掉气敏元件的加热器，至今没有很成功的案例。
但都在积极的减小元件的功率消耗。
如减小元件的体积减少功耗，采用直热式结构即减少了体积也充分利用所供给的能量。
最近的MEMS的气敏元件其功耗已经减小到30MW，但还是未能丢掉元件的加热部分。
现在的所谓常温元件看起来没有加热器，实际上元件还是没有真正的实现不加热的常温元件。
它采用了元件的自身发热来提供元件正常的的工作温度。
所谓常温元件实际是元件自身发热的气敏元件。
正确的应该叫做自热式气敏元件。
还有一种常温振荡型气敏元件，该气敏元件与电阻型的常温元件的气敏机理有所不一样，这种震荡型常温气敏元件可以认为是真正的常温气敏元件，基本不依靠元件的自身发热来维持正常的工作。
本文的设计原理不适用于常温振荡型元件。
无论常温电阻型还是震荡性气敏元件都是气敏领域长期对半导体气敏元件的材料，结构，机理研究的结果。
实现了一个供电电源的无加热器的气敏元件。
在正常工作时功耗仅有100mw左右，电流在20mA左右。
但其自身也存在一些不足，有些问题是无法解决的致命伤。
如稳定性差，灵敏度低，启动慢，长期储存后性能变化引起不能启动，过载能力差易烧毁，检测气体受限等等问题。
但是只要设计制作满足了该类气敏元件的特殊要求，元件可以在一定场合下得到很好的应用。
1元件制作及结构
采用双螺旋直径为0.03的铂金丝Pt或合金丝，大线圈的直径0.4，圈数为6圈;小线圈的直径为0.2，圈数为6圈。
先在小线圈上均匀的涂覆上一层气敏材料，待干燥后小心的插入带气敏料的大线圈内，调整好引线的方向，并防止两线圈发生短路。
晾干并在80-100度的红外线烘箱中烘干。
然后再高温箱式炉中烧结650度左右。
最后用热压焊或点焊将其固定在气敏的管座上。
经老化测试制成自热式半导体气敏元件。
元件在工艺条件允许的情况下应尽量小一些，两线圈间的距离要均匀，不能发生短路。
涂覆要均匀，小球大小要一致，不能在其中形成空洞或气孔。
图一自热式气敏元件的结构及尺寸
2元件的设计
根据设计和检测气体的要求，研制出不同的气敏材料。
自热式气敏元件比较适合制作广谱型，一氧化碳，可燃性气体，酒精等气敏元件。
制作这样的元件首先要根据检测气体的要求和工作条件作出合理的设计。
除敏感性外最重要的一点是元件在空气中的阻值要合理。
否则元件就不能正常工作，即便是能工作也会在使用中出现这样或那样的问题，如启动困难，久置不能启动，过载能力差等等问题。
元件的阻值太大根本就不能工作，其原因是元件的自身发热的温度不能支持元件正常工作。
阻值太小可能造成通电瞬间元件就烧毁，或者灵敏度低，无法正常工作。
下面就元件的设计做一简单的说明：
2.1元件的工作条件的设计
元件的阻值大小决定元件的的功率的大小，功率的大小直接关系到元件自身发热的大小。
根据现行的制作工艺水平，自热式气敏元件的的结构大小在（Φ0.5~0.6）的范围，要使元件能正常的工作，元件的温度应该在300℃以上。
根据制作直热微球式气敏元件的相关数据（0.9v*130Ma=117mw）和经验其功耗应该在100mw左右。
检测不同的气体元件的温度有所不同。
一氧化碳元件的工作温度比较低，其元件的功耗在100mw左右。
甲烷元件的工作温度高，元件的功率就应该高一些，根据催化元件的相关数据（黑白两个元件的2.5v*100mA）应该在120mw左右。
根据P=U2/R来设计元件的阻值。
这里的U就是元件正常工作在清洁空气中的元件的压降。
根据现在的电路的设计和使用习惯，元件工作电压可以在3~9v的范围选取。
根据实验和相关的计算认为这里的U在3~6v的范围比较合适。
即方便元件的设计和制作又符合一般的使用习惯。
如果U太小元件的阻值也将很小，元件即使能正常工作其信号也会很小。
如果U太高，元件的阻值就相应高一点问题不大，但不能满足一般低电压电路的使用。
现在设计的常温元件的工作电压都是6v。
根据元件的工作6v，元件的功率为100mw，就可以设计元件的阻值和取样电阻。
2.2元件的阻值RS
元件的阻值是一个不定的动态变量，很难用什么方法来准确的设计，但是在这里可以简单的把它作为一个理想的可变电阻体来看待。
因此它也可以遵循电工的计算方法。
实际的元件阻值是通过配方的调整得到的
设：
元件正常工作的功耗Ps=100mw=0.1w工作电压Uc=6v，取样电阻上的压降VRL通常取工作电压的1/5~1/10，取样电阻越低其输出越小，但元件的敏感特性上升的空间就越大，这里取值为1/6的工作电压为VRL=1v,那么元件的压降VRS=6-1=5v
P=U2/RR=U2/P代入数据则R0=52/0.1=250Ω
根据计算元件阻值正常工作在清洁空气中的初始电阻R0应在250Ω左右的范围是最理想的。
如果功率取0.12w则R0=52/0.12=208Ω。
2.3取样电阻RL
元件的阻值在（250Ω）左右的范围，但元件要正常的工作还必须在取样回路中与取样电阻相配合。
取样电阻选取不好元件也是不能正常工作的，因为取样电阻的大小直接的影响流过元件的电流大小，电流的大小决定元件功率大小。
功率的大小决定元件表面的温度，所以取样电阻一定要与元件的阻值相匹配。
选取的原则是：
元件正常工作时取样电阻的功耗远小于元件上的功耗，但又不能太小使元件的输出过小。
建议取样电阻为元件电阻的（1/5~1/10）。
现行元件的取样电阻为元件电阻的1/5即51Ω左右，这是按标准电阻系列决定的。
取样电阻的改变元件的工作状态都将发生变化。
2.4元件的输出电压V0
根据图2的检测原理按上述的元件电阻250Ω，取样电阻为51Ω经计算其V0=6*51/250+51=1.0166v。
按照所设计出来的元件：
元件的初始阻值R0=250Ω工作电压=6v取样电阻=51Ω其V0=1.00166v。
实际元件的V0在0.8-1.2V是最理想的范围。
只要气敏材料做出的元件满足V0在0.8-1.2V的范围，阻值在200-330Ω左右，元件就一定能很好的工作。
元件的输出电压是由元件的工作电压和元件的阻值决定的。
在实际生产中通过检测元件的输出电压就能控制元件的性能。
2.5工作电压为6v的常温元件的设计举列
设计：
根据Vc=6v元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=6v的1/6为1v,那么元件的压降VRS=6-1=5v，元件的功耗设为Ps=100mw：
一、求元件在清洁空气中的阻值Rs
根据P=U2/R将元件的压降VRS=5v，元件的功耗Ps=100mw代入得：
Rs=VRS/Ps=52/0.1=250Ω
二、求取样电阻RL
取样电阻的压降即VRL=1流过的电流I=V/R因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=5/250=0.02A代入R=V/I得：
RL=1/0.02=50Ω
由于50Ω不是标准系列的电阻，不易购买。
建议采用E24系列5%或E96
系列1%精度的金属膜电阻。
这样按上述系列可以选取51Ω的电阻作为取样电阻。
根据上面的计算结果，工作电压Vc=6v的常温气敏元件：
清洁空气中元件的阻值Rs=250Ω左右，取样电阻RL=51Ω为最佳的工作条件
3常温气敏元件的结构材料分析
半导体微球自热式气敏元件由两个大小不一的铂金丝线圈组成。
较大的线圈套在较小的线圈的外面，组成一个同心圆，然后均匀的涂覆上气敏材料，经烧结而成。
组成的同心圆的间距应保持均匀，不得有短路现象。
气敏涂料要求均匀饱满，不能有空洞和气泡。
3.1线圈的大小
根据原理在制作工艺允许的条件下应尽量的小一点，这样做出来的元件相对来说体积也就会小一点，需要的功率也就会小一点。
也不能太小，太小致使大小线圈之间的间距太小，一是给工艺制作带来困难，成品率低。
二是在使用时过载能力太差，甚至容易造成短路。
一般情况两线圈的间距在0.1左右，线圈的长度0.5左右。
3.2线圈的材料
线圈在这里一是做电极的引出线的作用，二是起固定气敏材料的支撑作用。
因此制作线圈的材料，凡是能耐高温抗氧化导电良好的金属丝都可以用来制作元件的线圈。
线圈的线径根据元件的具体尺寸和元件机械强度的要求应该比较的细，通常0.03mm左右就可以了。
太粗了耗材多成本高，太细了机械强度差，操作困难。
材料可以是金丝，铂丝，抗氧化的合金丝均可。
合金丝如金钯铂，金钯钼，甚至镍铬都可以。
最好还是铂丝和铂的合金，它具有耐高温，抗氧化能力强，机械强度也较高等优点。
3.3线圈的位置
理想的元件是大小两个线圈处于平行的同心圆的位置。
这样元件各点的分布电阻比较匀。
如果两线圈不在同心圆的位置，且相差较大，作为电极的线圈各点间的分布电阻就不均匀，这样造成电流分布也不均匀，薄弱的点很有可能就会被击穿发生短路烧毁。
4元件工作状态下的技术参数分析
4.1、元件的工作原理
图二元件工作原理图
常温元件与取样电阻串联，施加6V的工作电压，电流流过元件自身发热，当元件自身发热的能量与元件吸附和脱附需要的能量相当时元件进入正常的工作状态，也可能产生周期振荡。
如果元件的阻值太大，流过元件的电流太小，其自身产生的热量不足以满足元件正常工作。
如果元件的阻值太小虽然流过元件的电流较大，但是元件上的压降很小，其功率也很小，自身的热量也不能满足元件正常工作的要求，也不能正常工作。
只有元件的阻值在一合适的范围元件才能正常工作。
根据实验可知元件的阻值范围应在250Ω左右，最佳的阻值范围是200-330Ω。
4.2元件工作状态下的参数变化关系
元件的工作原理如图2所示。
根据工作原理图其输出电压VRL、元件阻值RS、流过元件的电流I、元件上的功率Ps、取样电阻上的功率PRL、基本遵循经典的电工原理计算方法：
根据图二VRL=VC*RL/（RS+RL）RS=VC*RL/VRL–RL
（1）
将VC=6VRL=51Ω代入
（1）式，
得：
RS=VC*RL/VRL–RL=306/VRL-51
（2）
流过气敏元件和取样电阻上的电流I：
I=VC/RS+RL（3）
那么在气敏元件上功率Ps和取样电阻上的功率PRL分别为：
PS=（VC/RS+RL）（VC-VRL）=（6/RS+51）（6-VRL）（4）
PRL=VC*VRL/RS+RL=6VRL/RS+51（5）
电路总的功率：
P=PS+PRL（6）
设：
VRL=0.25\0.5\1.0\1.5\2.0\2.5\3.0\3.5\4.0\4.5v并带入式
（2）（3）（4）（5）（6）分别得到RS\I\PS\PRL\P如表一所示：
表一输出电压与元件阻值、电流、功率的关系
序号
参数
参数值（VC=6VRL=51Ω）
1
VRL（V）
0.25
0.5
1
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
2
RS（Ω）
1173
561
255
153
102
71.4
51
36.4
25.5
17
3
I（mA）
5
9.8
19.6
29.4
39.2
49.0
58.8
68.6
78.4
88.2
4
Ps（mw）
28.75
54
98
132
157
172
176
172
157
132
5
PRL（mw）
1.25
5
19.6
44.1
78.4
123
176
240
314
397
6
P总（mw）
30
59
117.6
176
235
295
353
412
471
529
将以上的数据作图如图三所示：
从图三可以看出元件的输出电压和电流与元件的阻值关系：
元件的阻值大其输出电压小，流过元件及取样电阻的电流也小。
随着元件的阻值下降元件的输出电压上升，流过元件及取样电阻的电流成直线上升。
然而元件的功率Ps是随元件的阻值下降先升高，当元件的阻值下降到51Ω时，即元件的阻值等于取样电阻的阻值时元件上的功率达到最大值176mW。
元件阻值继续下降元件上的功率随之下降。
呈对称的抛物线形。
然而取样电阻上的功率PRL却成指数式的上升。
但在取样电阻上的功耗对气敏特性不做贡献。
总的功率呈直线上升的趋势。
元件在实际工作时也是这样。
当元件接触可燃性气体时，元件的阻值下降，元件的功率先开始是上升，一旦元件的阻值降到取样电阻以下元件功耗开始下降，也呈抛物线形。
而取样电阻上的功耗也是呈指数形式上升。
图三元件的阻值Rs与输出VRL、电流I、元件上的功率Ps、取样电阻上的功率PRL、总功率之间的关系
4.3元件阻值的气敏特性分析
当元件的工作条件Vc与RL确定后，元件阻值的大小就直接关系元件的工作状态。
这里所说的元件阻值是指元件在空气中的初始组织R0，元件阻值太大或太小都不能正常的工作，只有元件的初始阻值在一合适的范围元件才能正常工作，在上面已经进行了简单的分析。
下面我们就元件的阻值与元件的功耗来进一步说明。
根据上面的数据做出图四。
图四输出电压VRL、电流I、元件上的功率Ps、取样电阻上的功率PRL、总功率之间的关系
由表一中的数据我们可以看到：
当元件的输出电压在0.5V时，即取样电阻上的电压为0.5V时，元件的阻值大约是561Ω。
这时元件的功耗大约54mw，取样电阻上的功耗也就5mw。
也就是说整个回路上消耗的功率基本上在气敏元件上，该功耗产生的热量对元件进行加热，元件在54mw的功率下大概的温度在160℃左右，这时元件基本能进入正常的工作状态，具有一定的气敏特性。
当元件的初始阻值低于561Ω，随着元件阻值的降低其输出电压将增大，元件在回路中的功耗将随元件的初始阻值而上升。
当元件的初始阻值与取样电阻RL一样，即51Ω时，元件上的功耗达到最大值176mw左右，取样电阻上的功耗也达到176mw。
这时元件上的功耗和取样电阻上的功耗相等。
这时元件也能正常工作，但元件的敏感特性并不高，因为元件输出已经上升到了3v，离工作电压6v也就只有3v的压差，没有多大变化的相对空间。
这时元件的阻值只有51Ω，元件接触可燃性气体后元件阻值降低到10Ω，阻值比也就5倍。
我们把输出电压为0.5v-3.0v这一区间定为元件的敏感区，图四红斜线与元件功率曲线所包围的区域。
根据半导体二氧化锡气敏材料的特性和微球式结构元件的功耗与温度的关系，以及制作元件的经验，微球式元件的功耗在100mw左右，元件的温度大约在200℃以上。
从表一数据可以看出元件的功率在100mw左右时，其元件的阻值大约在250Ω左右，其相应的输出电压为1v。
因此元件的阻值在200Ω-330Ω，输出电压为0.8-1.2v是元件的最敏感的区域。
如图四的红色斜线区域中双斜线区域是元件的最佳敏感区。
这时回路的功耗基本都是加在元件上，为元件敏感特性做贡献。
所谓元件的最佳敏感区是指元件工作在最佳状态，不完全指元件的灵敏度。
元件的功耗在100mw左右，可以稳定长期的工作，不会因为元件功率太大在长期的工作状态下发生严重的烧结现象。
当元件的初始阻值小于51Ω，即小于取样电阻值，元件就进入敏感衰减的区域。
像这样低电阻的元件在该工作条件下就不能正常工作而成为废品。
想要通过半导体表面的电子交换进一步的改变低阻元件的电导是很难做到的，因为低阻元件已经没有多少下降的空间了。
当元件的阻值大于561Ω，元件的功率小于50mw.，元件的表面温度低于160度，刚制作好的新元件也许还能工作。
但经久置元件表面大量吸附水汽或其他一些气体，由于元件表面温度低，而不能排除元件表面吸附的水汽和其他的气体不能激活元件，而不能进入正常的工作状态。
这一区域为元件的死区，即输出电压为0.5以下的区域，如图四红斜线以下的区域所示。
不同的检测气体对于案件有不同的要求，检测甲烷元件的工作温度要高一些所以设计时就要求元件的功率大一点Ps在130mw左右比较合适，这是对应输出电压为1.5v左右。
一氧化碳的元件可以低一点Ps为100mw左右，对应的输出电压为1v左右。
酒精的元件也要在110-120mw左右。
这都可以通过初步试验后得到具体的一些经验数据，按不同测试气体进行基本设计后加以调整。
综上所述金属氧化物半导体常温型气敏元件的初始阻值直接关系元件是否能正常工作的关键参数。
要使元件能正常工作，元件的初始阻值在200-330Ω之间，其输出电压在0.8-1.2v是最理想的范围。
当然还要根据不同的气敏材料和不同的检测气体做一些具体的实验获取相关的数据才能设计制作出理想的产品。
五常温气敏元件对气敏材料的要求
常温气敏元件对气敏材料的要求除了与一般的气敏材料一样都要求具有敏感稳定外，还应注意以下几点：
由于元件的初始电阻对于常温元件至关重要，因此要根据元件的工作条件设计合适的气敏材料。
通过实验使所作的气敏材料的阻值范围在元件的最佳工作的敏感区内，这是最为重要的。
由于气敏材料属于多晶的混合材料，虽然其阻值在一定范围内可以控制，但也不是很好控制的。
能将气敏材料的阻值范围控制在某一个范围范围就可以了，但不能太分散；
常温型气敏元件与旁热式和直热式元件都不一样，旁热式和直热式元件的气敏材料都不直接通电发热维持正常工作，气敏材料上流过的电流很小，一般是微安级。
功耗都很小，一般都在10mw左右。
材料在长期工作条件下也基本不发热的，只有一定的极化，对材料影响不是很大。
而常温型气敏元件要靠自身发热来维持元件的正常工作，除了受到电压的极化作用外，还长期经受自身发热的烧结作用，其烧结作用远比旁热式和直热式元件要强的多。
因此常温型气敏元件的气敏材料的稳定性一定要高，否则元件不能长期正常工作，很快元件就会失效，通常元件经过一段时间就失去气敏性了；
元件的结构是微球式结构，是两个线圈套在一起，用气敏材料将线圈固定起来。
这样元件的机械强度与气敏材料直接相关。
元件在工作状态下受到长期的热胀冷缩的作用，线圈和材料的膨胀系数也有差异，因此气敏料和结构材料的金属线圈之间难免不发生变化，这也是影响元件稳定性的元件之一。
所以气敏料的强度应比较的结实，以保证元件的机械强度敏感特性。
结论金属氧化物半导体常温气敏元件其本质是自热式元件，元件在工作电压下，流过元件的电流产生热量，当元件自身的热量满足气敏元件正常工作的条件下，元件就能正常的工作。
因此元件的初始电阻是决定元件能否正常工作的关键参数。
元件的设计和制作应满足以下的要求，元件就能正常的工作：
1、元件应该设计成微球状，其个体应尽量的小，以减少元件的功率要求。
通常的直径为0.5左右，内外电极呈同心圆结构，间距均匀，为0.1mm左右，不得有短路现象；
2、元件的初始阻值根据元件的具体的工作电压和取样电阻来设计。
当元件的工作电压为6v，取样电阻为51Ω时，元件的阻值在200-330Ω之间是最佳的阻值范围；
3、元件的初始阻值在200-330Ω之间，就能保证元件在清洁空气中的输出电压的初始值在0.8-1.2v的范围。
元件的敏感特性就有足够的空间；
4、当元件的的工作条件发生变化后，也可以依据本文的设计思想设计能正常工作的产品。
比如工作电压升高或降低，都应根据取样电阻和实际的工作电压来设计，保证元件工作在最佳的敏感区，即元件在清洁空气中的元件的功耗Ps为100mw（甲烷元件在130mw左右）左右就可以了。
请看附录。
5、常温元件的气敏材料应该敏感，稳定，强度高，阻值较低并与工作电压匹配。
以上是根据多年的实验和经验对常温气敏元件的设计的一些看法，没有很权威的理论依据，也许就是经验之谈，难免没有错误，欢迎交流讨论和指正。
二零一零年七月二十八写于郑州炜盛电子
附录不同工作电压的常
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