氣體傳感器在智能家居中的應(yīng)用

1、    氣體傳感器在智能家居中的應(yīng)用    史媛 馮玉華 張俊蓮摘 要：一般家庭廚房烹調(diào)熱源有煤氣、天然氣、石油液化氣等，因?yàn)檫@些可燃?xì)怏w的泄露、點(diǎn)火失誤等原因，造成爆炸、火災(zāi)和中毒死傷事故時(shí)有發(fā)生。為了保障生命和財(cái)產(chǎn)安全，要對(duì)廚房可燃?xì)怏w泄露進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警。關(guān)鍵詞：氣體傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居1 引言在現(xiàn)代家居環(huán)境中，對(duì)環(huán)境量的檢測(cè)和控制正得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用?？諝獾馁|(zhì)量與人類的日常生活密切相關(guān)，對(duì)氣體的檢測(cè)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少的手段。日常生活中人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要滴它們進(jìn)行檢測(cè)與控制，這些氣體有許多是易燃、易爆的氣

2、體，如氫氣、一氧化碳、氟利昂、煤氣、天然氣、液化石油氣等。對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著及其重要的作用。氣體傳感器是一種把氣體（多數(shù)為氣體）中的特定成分檢測(cè)出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，以便提供有關(guān)待測(cè)氣體的存在和濃度大小的信息。為防止常用氣體燃料如煤氣（h2、c0等）、天然氣（ch4等）、液化石油氣（c3h8、c4h10等）、c0等氣體泄露引起中毒、燃燒或爆炸，應(yīng)用可燃性氣體傳感器配上適當(dāng)電路制成報(bào)警器。目前在報(bào)警器上大都使用sn02氣體傳感器。但在濕度較大的場(chǎng)合，如廚房等，宜使用-fe203氣體傳感器為核心的報(bào)警器，因?yàn)檫@類傳感器對(duì)濕度敏感性小，穩(wěn)

3、定性較好。氣體傳感器在家電中除用于可燃?xì)庑孤秷?bào)警、換氣扇、抽油煙機(jī)的自動(dòng)控制外，也用于微波爐、燃?xì)鉅t等家用電器中。在微波爐中常選用sn02氣體傳感器，氣體傳感器測(cè)量出從食品中發(fā)出氣體的濃度，可根據(jù)事先對(duì)不同食品的特性，選擇負(fù)載電阻，實(shí)現(xiàn)烹調(diào)的自動(dòng)控制。在燃?xì)鉅t中常使用zr02氣體傳感器測(cè)量燃空比。2 半導(dǎo)體型氣體傳感器半導(dǎo)體型氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏器件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，用來檢測(cè)氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導(dǎo)體型氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式倆大類。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制成敏感器件，利用其阻值的變化來檢測(cè)氣體的濃度。目前有多孔質(zhì)燒結(jié)體

4、、厚膜式和正在研制的薄膜式等幾種非電阻式半導(dǎo)體傳感器。2.1 表面電阻控制型氣體傳感器表面電阻控制型氣體傳感器表面電阻的變化，取決于表面原來吸附氣體與半導(dǎo)體材料之間的電子交換。通常器件工作在空氣中，在空氣中的o2和no2這樣的電子兼容性大的氣體，接受來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，其結(jié)果表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)率減少，從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦器件與被測(cè)氣體接觸，就會(huì)與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的幾個(gè)電子釋放出來，使敏感膜表面電導(dǎo)增加，使器件電阻減少。這種類型的傳感器多數(shù)是以可燃性氣體為檢測(cè)對(duì)象，但如果吸附能力強(qiáng)，即使是非可燃性氣體也能作為檢測(cè)對(duì)象。

5、其具有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。2.2 體電阻控制型氣體傳感器體電阻控制型氣體傳感器是利用體電阻的變化來檢測(cè)氣體的半導(dǎo)體器件。很多氧化物半導(dǎo)體因?yàn)榛瘜W(xué)計(jì)量比偏離，即組成原子數(shù)偏離整數(shù)比的情況，如fe1-xo、cu2-xo或sno2-x、zno1-x、tio2-x。前者為缺金屬型氧化物，后者為缺氧型氧化物，統(tǒng)稱非化學(xué)計(jì)量化合物。它們是不同價(jià)態(tài)金屬的氧化物構(gòu)成的固溶體，其中x值由溫度和氣相氧分壓決定。因?yàn)檠醯倪M(jìn)出使晶體中晶格缺陷（結(jié)構(gòu)組成）發(fā)生變化，電導(dǎo)率隨之發(fā)生變化。缺金屬型為生成陽(yáng)離子空位的p型半導(dǎo)體，氧分壓越高，電導(dǎo)率越大。與此相反，缺氧型氧化物為生成晶格間隙陽(yáng)離子或生成氧離子缺位的n

6、型半導(dǎo)體，氧分壓越高，電導(dǎo)率越小。體電阻控制型氣敏器件，因須和外界氧分壓保持平衡，或受還原性氣體的還原作用，致使晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)生變化，隨之體電阻變化。這種變化也是可逆的，當(dāng)待測(cè)氣體脫離后氣敏器件又恢復(fù)原狀。其檢測(cè)對(duì)象主要有液化石油氣、煤氣和天然氣。2.3 非電阻式氣體傳感器非電阻式氣體傳感器主要有二極管、fet、電容型幾種。二極管型氣體傳感器是利用一些氣體被金屬與半導(dǎo)體的界面吸收，對(duì)半導(dǎo)體的界面吸收，對(duì)半導(dǎo)體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)的影響，而使二極管整流特性發(fā)生性質(zhì)變化而制成的，如pd/ti、pd/zno之類二極管可用于對(duì)h2的檢測(cè)。fet型氣體傳感器是將mosfet或misfet中金屬柵采

7、用pd等金屬膜，根據(jù)柵壓域值的變化來檢測(cè)未知?dú)怏w。初期的fet型傳感器以測(cè)h2為主，近年來已制成h2s、nh3、co等f(wàn)et型氣體傳感器。最近又發(fā)展了zro2、laf固體電解質(zhì)膜、銻酸質(zhì)子導(dǎo)電體厚膜型的fet氣體傳感器。cao-batio3等復(fù)合氧化物隨co2濃度變化其靜電容量有很大變化。該元件加熱到419時(shí)，課測(cè)定co2濃度范圍（0.05%-2%）。其優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，很少受co、ch4、h2等氣體干擾，不受濕度干擾，有良好前景。3 接觸燃燒式氣體傳感器一般講在空氣中達(dá)到一定濃度、觸及火種可引起燃燒的氣體稱為可燃性氣體，如甲烷、乙炔、甲醇、乙醇、乙醚、一氧化碳、氫氣等都是可燃性氣體。接觸燃燒式

8、氣體傳感器是將金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對(duì)金屬線圈通以電流，使之保持在300-600的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂，調(diào)節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱進(jìn)一步使金屬絲升溫，造成元件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓與可燃燒氣體濃度成比例，檢測(cè)出這種電流或電壓就可測(cè)得可燃性氣體的濃度。4 結(jié)束語(yǔ)隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化，深入研究和掌握有機(jī)、無(wú)機(jī)，生物和這種材料的特性及相互作用，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)：1姜樹杰，氣體傳感器在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用. 天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，