氣體傳感器常識

1、氣體傳感器常識1、傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國國家標準(GB7665-87)，傳感器的定義是：能夠受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適合于傳輸或測量的電信號部分。2、化學(xué)傳感器傳感器按工作原理分大體上可以分為化學(xué)型、物理型及生物型三大類。化學(xué)傳感器是將規(guī)定的化學(xué)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為可檢測信號的傳感器?；瘜W(xué)傳感器集電子科學(xué)、化學(xué)科學(xué)和材料科學(xué)于一體?；瘜W(xué)傳感器一般包括兩部分，一部分具有對待測化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲的功

2、能，稱為識別系統(tǒng)；另一部分可將俘獲的化學(xué)量有效轉(zhuǎn)換為電信號的功能，稱為傳導(dǎo)系統(tǒng)。3、氣體傳感器的分類和工作原理3.1氣體傳感器的分類氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。3.2半導(dǎo)體氣敏元件的結(jié)構(gòu)（1） 結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體氣敏傳感器主要有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)體器件是將電極和器件加熱用的加熱器埋入金屬氧化物中，用電加熱或加壓成型后低溫?zé)Y(jié)制成的。雖然制作方法簡單，但是，由于燒結(jié)不充分，器件的機械強度較低，又由于使用了貴金屬絲，制造成本

3、比其它制作方法高；此外，該種元件電特性的誤差也較大。薄膜型器件是采用蒸發(fā)或濺射方法在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜的。這種方法也很簡單，其缺點是薄膜為物理性附著系統(tǒng)，器件之間的性能差異較大。厚膜型器件采用絲網(wǎng)印刷法制成。工藝性和器件強度都很好，其特性也相當(dāng)一致。厚膜型敏感元件的加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。（2）加熱方式加熱器的作用是將附著在探測部分處的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200400。直熱式是將加熱絲直接埋入氣敏材料粉末中燒結(jié)而成。優(yōu)點是制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路中使用。它的缺點是熱容量小，易受環(huán)境

4、氣流影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離會相互影響。旁熱式是在管芯內(nèi)增加一個陶瓷管，在管內(nèi)放進一個高阻加熱絲，陶瓷管表面的兩端有用兩個電極，在陶瓷管外涂氣敏材料。其結(jié)構(gòu)見下圖。圖2 旁熱式氣敏元件這種結(jié)構(gòu)克服了直熱式的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響；器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性比直熱式的好。3.3 半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的工作原理半導(dǎo)體金屬氧化物的氣敏機理存在著多種模型，如馮祖勇將其分為表面電阻控制模型、體電阻控制模型、吸附氣體產(chǎn)生新能級模型、隧道效應(yīng)模型、控制柵極模型和接觸燃燒

5、模型。如表面控制模型認為氣敏過程受表面缺陷數(shù)量控制。以P型SnO2氣敏材料為例，發(fā)生在表面的化學(xué)變化涉及兩種主要的反應(yīng)，空氣中的氧在表面奪取電子變成化學(xué)吸附氧，即：吸附態(tài)的氧離子使電導(dǎo)率下降。SnO2表面與還原性氣體接觸以后，表面活性中心與還原性氣體作用，釋放出電子，二氧化錫材料導(dǎo)帶中電子密度增大，電阻減小，通過電信號強度的變化情況實現(xiàn)對氣體的檢測。半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型氣敏元件在檢測到甲烷、一氧化碳、天燃氣、煤氣、液化石油氣、乙炔、氫氣等氣體時，其電阻值減??；P型氣敏元件在檢測到可燃氣體時電阻值將增大，而在檢測到氧氣、氯氣及二氧化碳等氣體時，其電阻值將減小。4、氣敏元件的評價參

6、數(shù)(1)靈敏度氣體傳感器的靈敏度是指器件對被測氣體的敏感程度。通常用氣體傳感器在一定濃度的檢測氣體中的電阻與正常空氣中的電阻與之比來表示靈敏度。常用S表示(或用表示)，N型半導(dǎo)體氣敏元件檢測甲烷、一氧化碳、天燃氣、煤氣、液化石油氣、乙炔、氫氣等還原性氣體時，靈敏度可表示為：Ra、Rg分別表示氣敏元件在空氣和檢測氣氛中的電阻。對于P型半導(dǎo)體氣敏元件，檢測甲烷、一氧化碳、天燃氣、煤氣、液化石油氣、乙炔、氫氣等還原性氣體時，靈敏度可表示為：P型半導(dǎo)體氣敏元件檢測氧氣、氯氣及二氧化碳等氧化性氣體時，靈敏度可表示為：S越大，表明氣體傳感器的靈敏度越高；S越小，表明靈敏度越低。（2）選擇性在多種氣體共存的

7、條件下，氣體傳感器具有的區(qū)分氣體種類的能力。以待測氣體的靈敏度與干擾氣體的靈敏度之比D表示分辨率。分辨率的表達可用下式表示。式中Sg1表示傳感器對待測氣體的靈敏度; Sg2表示傳感器對干擾氣體的靈敏度。當(dāng)相同濃度的幾種氣體共存時，傳感器對某種氣體具有較高的靈敏度，而對其余幾種氣體的靈敏度比較低，即D值較大，就說明這種傳感器對靈敏度高的氣體具有較好的選擇性。（3）響應(yīng)時間tres響應(yīng)時間代表氣敏元件對被檢測氣體的響應(yīng)速度。從原則上講，響應(yīng)越快越好，即氣敏元件接觸被測氣體或氣體濃度一有變化，器件阻值馬上隨之變化到其確定阻值。但實際上總要有一段時間才能達到穩(wěn)定值。定義響應(yīng)時間tres為元件接觸被測氣

8、體后，電阻達到該濃度下穩(wěn)定阻值90%時所需的時間，定義為響應(yīng)時間，常用tres表示。（4）恢復(fù)時間trec與響應(yīng)時間不同，恢復(fù)時間表示氣敏元件對被檢測氣體的脫附速度，又稱脫附時間。同樣，也希望這一時間越快越好。定義恢復(fù)時間trec為元件脫離檢測氣體開始，到其阻值恢復(fù)到正?？諝庵凶柚?0%所需的時間，定義為恢復(fù)時間，用trec表示。（5）長期穩(wěn)定性當(dāng)氣體濃度不變時，若其他條件發(fā)生變化，在規(guī)定的時間內(nèi)氣敏元件輸出特性維持不變的能力。它表示氣敏元件對于氣體濃度以外因素的抵抗能力。以QM-N5氣敏元件為例，其主要參數(shù)為：標定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓2V，響應(yīng)時間10S，恢復(fù)時間30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.55.5V、測量回路電壓515V、負載電阻0.52.2K。5、半導(dǎo)體氣敏傳感器的發(fā)展方向氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。要切實提高傳感器各方面的性能指標需要多學(xué)科、多領(lǐng)域研究者的協(xié)同合作。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計一直受到研究人員的關(guān)注。未來氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作。2.1 氣敏材料的進一步開發(fā)2.2 新型氣體傳感器的開發(fā)和設(shè)計2.3 氣體傳感器傳感機理的研究2.4 氣體傳感器的智能化2.5 提高半導(dǎo)體氣敏元件選擇