气体传感器

第11章气体传感器气体种类、浓度电信号1第11章气体传感器气体种类、浓度电信号11．1热导式气体传感器1．原理：不同种类、不同浓度的气体，其热导率不同，在同样的加热条件下，其温度也不同，进而气敏元件电阻不同。2．测量电路：直流电桥电路，如图11-1和图11-2所示。图11-1热线式气敏传感器典型电路图11-2热敏电阻式气敏传感器测量电路3．种类：热线式（金属电阻丝）气敏传感器；热敏电阻式气敏传感器。4．应用：真空测量；可燃性气体的测量和报警；等。11．2接触燃烧式气敏传感器1．结构原理图11－3接触燃烧式气敏传感器(a)结构；(b)测量电路；(c)气敏特性；F1—敏感元件；F2—补偿元件将铂（Pt）等贵金属线圈埋设在氧化催化剂中少结而成。铂（Pt）等贵金属丝通电100~200mA）保持300~600°C高温，与可燃性气体接触产生氧化反应发热（无焰接触燃烧热），使敏感材料（铂丝等）温度升高，电阻增大，R=T=H/h=/h，式中，为金属丝敏感材料的电阻温度系数；H为可燃性气体的燃烧热；为可燃性气体的分子燃烧热；为金属丝敏感元件上涂覆的催化剂所决定的常数；h为金属丝敏感元件的热2容量。2．测量电路直流电桥电路，工作电流100~200mA。3．应用：检测可燃性气体。11．3半导体气体传感器11．3．1半导体气体传感器及其分类原理：金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触，由于气体的吸附，引起材料电学性能的变化，以此检测特定气体及其浓度。分类：电阻型：表面控制型；体控制型；非电阻型：二极管整流特性型；晶体管特性型；（都属于表面控制）表11-2（见教材）11．3．2主要特性及其改善．气体选择性及其改善气体选择性：对不同气体的敏感特性。改善 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ：掺杂（氧化物或添加物）；控制气敏元件的烧结温度；改善气敏元件工作时的加热温度。2．气体浓度特性气体传感器的输出量与被测气体浓度之间的关系，这是气体传感器的基本特性。3，初始稳定、气敏响应和复原特性任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被测气体的吸、脱作用，加热温度一般为200~400℃。图11-4是气敏传感器的外形及其基本测量电路。图11-4气敏传感器的外形图11-5N型半导体吸附气及其基本测量电路体时器件阻值变化初始稳定：加热稳定电阻输出特性（过渡时间和稳定电阻值）；气敏响应：气敏元件接触被测气体电阻值变化（过渡过程的时间）；复原性：测试结束电阻值复原到洁净空气中保存状态的固有电阻值(Ra=103~105)3的时间。4．灵敏度的提高与稳定性改善添加金属或金属氧化物材料的催化作用来提高灵敏度。添加“融剂”和“缓融剂”，控制气敏材料的烧制过程，可以改善其稳定性。5．温度、湿度的影响及其它问题环境温、湿度对气敏元件的气敏特性有影响（见图11-7），气敏元件的加热丝电压决定元件的工作电流，也会影响元件的气敏特性。图11-7SnO2气敏元件的温、湿度特性11．3．3电阻式半导体气体传感器（气敏电阻）气体成分、浓度电阻11．3．3．1表面控制型气敏电阻利用半导体材料表面吸附气体引起气敏元件电阻值变化的特性制成。主要用于检测可燃性气体。半导体材料多数采用SnO2和ZnO等难还原的氧化物。图11-8半导体气敏元件结构(a)烧结体元件；(b)薄膜元件；(c)厚膜元件；(d)多层结构元件1．结构和电阻特性4结构：四种类型敏感元件，如图11-8所示。多孔质烧结体敏感元件；薄膜敏感元件；厚膜敏感元件；多层结构敏感元件。电阻特性：如图11-8所示，logR=mlogC+n式中，C为被测气体浓度；m、n均为常数，n与气体检测灵敏度有关，m为气体浓度灵敏度，对可燃性气体m=1/3~1/2。2．传感器类型（1）氧化锡类气体传感器SnO2是典型的N型半导体，最佳气敏材料，检测气体主要有，CH4、C3H8、CO、H2、C2H5OH、H2S等可燃性气体和NOx、酒精等。检测灵敏度如图11-10所示。图11-10SnO2气敏元件（添加Pt、Pb、Ag）的气体检测灵敏度与温度的关系Ra和Rg分别是气敏元件在空气中和被检测气体中的电阻值被测气体浓度：CO，0.02%；H2，0.8%；C3H8，0.2%；CH40.5%氧化锡类气体传感器敏感元件的主要类型是：烧结体，薄膜，厚膜。SnO2粉末经烧结（烧结温度700~900°C）制成烧结体敏感元件。铂电极和加热丝埋没其中，SnO2以直径0.001~0.05m的晶粒组成约1m以下砂粒状颗粒的形式存于其中。掺入Pt、Pb、Ag等添加剂可以提高其气体检测灵敏度。（2）氧化锌及格其它类气体传感器ZnO类气体传感器与SnO2类气体传感器相比，工作温度范围高出100°C其它金属氧化物，如氧化钨、氧化钒、氧化镉、氧化铟、氧化鈦、氧化铬等，也可用作气体传感器的材料。3．工作原理表面控制型气体传感器，其半导体气敏材料表面吸附有气体时，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，造成电子的迁移从而形成表面电荷层，最终引起元件电阻值的变化。11．3．3．2体控制型气敏电阻1．三氧化二铁类气体传感器以-Fe2O3和-Fe2O3为主的多孔质烧结体传感器，主要用于检测甲烷（CH4）和丙烷（C3H8）气体。52．钙鈦矿类气体传感器在Al2O3陶瓷基片上成形制作的镍酸镧薄膜敏感元件，适用于燃烧控制用气体传感器，测定空气-燃料比。热稳定性好。如图11-12所示。图11-12燃烧控制用镍酸镧气体传感器的特性图11-13Co1xMgxO敏感元件的敏感特3．燃烧控制用气体传感器主要用于测定空气-燃料比。半导体气体传感器的电阻值随温度变化也较大，高温气氛中空气-燃料比的测量要求气体传感器在一定温度范围内或进行一定的温度补偿使其性能稳定。以P型半导体氧化钴为主要材料，掺加氧化镁作稳定剂，制成Co1xMgxO(x0.5)的敏感元件，其特性很好，如图11-13所示。13．3．4非电阻式半导体气体传感器1．二极管气体传感器图11-14钯—氧化鈦二极管敏图11-15钯—MOS二极管敏感元件结构感元件的伏-安特性曲线20°C时，空气中H2的浓度(ppm)为：a，0；b，14；c，140；d，1400；e，7150；f，1000；g，150006如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有影响的话，则其整流特性会变化。用于检测H2的钯—氧化鈦二极管的特性如图11-14所示。其检测机理是因为吸附在钯表面的O2由于H2浓度的增高而解吸，从而使肖特基势垒降低，在一定的正向偏压下，二极管电流增大。2．MOS二极管气体传感器结构：如图11-15所示，在P型硅片上热氧化生成0.05~0.1m厚的SiO2层，然后在其上蒸发一层0.05~0.2m厚的钯、铂等金属薄膜作为栅电极，构成MOS二极管结构的敏感元件。11-16钯—MOS二极管敏感元件的C-U特性检测原理：利用MOS二极管的C-U特性检测H2。因为无栅偏置时，钯在H2中的功函数比在空气中时低，加栅偏置后，钯吸附H2导致MOS二极管的C-U特性向负偏压方向平移，如图11-16所示。利用图11-18所示的敏感元件的光电特性也可检测H2。图11-18应用光电动势的图11-19钯-MOS场效晶体管敏感元件钯—MOS二极管敏感元件3．MOS场效应晶体管气体传感器结构：如图11-19所示，SiO2比普通MOS场效应晶体管薄（0.01m），而且金属栅采用钯薄膜厚0.01m的钯-MOS场效应晶体管，构成敏感元件检测原理：MOS场效应晶体管漏极电流ID由栅压控制，将栅极与漏极短路，在源极与漏极之间加电压，则ID=(UUT)27式中，UT是ID流过时的最小临界电压值；是常数。由于UT会随空气中所含H2浓度的增高而降低，所以可以利用这一特性检测H2以及容易分解出H2的气体。其工作温度：120~150°C。13．3．5半导体气体传感器的应用半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等特点，广泛应用于有毒有害、易燃易爆气体的检测、控制和报警等。表11-4气体传感器的应用气体传感器应用实例：．气体报警器采用TGS109气敏电阻作为家用气体报警器传感器。图11-20简易家用气体报警器电路．煤气报警器采用TGS109气敏电阻作为具有温度补偿和防止通电初期误报的“二段式”煤气报警器传感器。8图11-21分段报警式城市煤气报警器电路图．火灾烟雾报警器采用烧结型SnO2气敏元件对烟雾敏特性作为报警传感器。图11-22气敏、热敏火灾烟雾报警器电路图．空气净化换气扇图11-23自动换气扇电路图．酒精探测器9图11-24携带式酒精探测仪电路图．CO浓度测控图11-25CO传感器应用电路11．4红外气体传感器利用不同种类或不同浓度的气体对红外线吸收不同的特性制成红外吸收式气体传感器。1．电容麦克型：通过测量槽和比较糟的红外线强度因被测气体的种类或浓度的不同而不同，它们交替周期地作用于密封一定气体的差动电容检测器，使其图11-26电容麦克型红外吸收式气体传感器图11-27量子型红外光敏元件气体传感器10中间隔膜两侧压力随红外线强度差异变化，最终导致差动电容器电容量的变化，由此检测气体种类或浓度。如图11-26所示。2．量子型：利用红外光电元件直接检测通过被测气体的红外线强度的变化，由此检测气体的种类或浓度。如图11-27所示。11．5湿式气体传感器结构：湿式气体传感器为固定电位电解气敏传感器，其结构有两种工作方式，极谱式和原电池式，如图11-28所示。图11-28固定电位电解气敏传感器(a)极谱式(b)原电池式检测原理：当被测气体通过隔膜扩散到电解液中后，不同气体会在不同固定电压作用下发生电解，从而导致电流的变化，通过测量电流的大小检测气体参数。11