第10章氣敏傳感器

1、1第第10 10章章 氣敏傳感器氣敏傳感器 l接觸燃燒式氣敏元件l金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件l氧化鋯氣敏元件l氣體傳感器的應(yīng)用2第第10 10章章 氣敏傳感器氣敏傳感器 l接觸燃燒式氣敏元件l金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件l氧化鋯氣敏元件l氣體傳感器的應(yīng)用3 1 1、檢測原理、檢測原理 可燃性氣體可燃性氣體( (H2、CO、CH4等等) )與空氣中的氧接與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱( (無焰接觸燃燒熱無焰接觸燃燒熱) )，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。大。4 一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太

2、一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高高( (低于低于10) )，可燃性氣體可以完全燃燒，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)量與可燃性氣體的濃度有關(guān)。 空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng)空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng)( (燃燒燃燒) )產(chǎn)生的反應(yīng)熱量產(chǎn)生的反應(yīng)熱量( (燃燒熱燃燒熱) )愈多，鉑絲的溫度變化愈多，鉑絲的溫度變化( (增增高高) )愈大，其電阻值增加的就越多。愈大，其電阻值增加的就越多。 因此，因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值值(R) )，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度

3、。5實(shí)際使用的檢測元件實(shí)際使用的檢測元件: 使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。 62、接觸燃燒式氣體敏感元件的接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路橋式電路如圖如圖: :AF2F1MR1R2CBDW2W1E07F1是檢測元件是檢測元件F2是補(bǔ)償元件，是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以其作用是補(bǔ)償可燃性氣體

4、接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。AF2F1MR1R2CBDW2W1E08工作時(shí)，工作時(shí)，要求在要求在F1和和F2上保持上保持100mA200mA的電流通的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件過，以供可燃性氣體在檢測元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)上發(fā)生氧化反應(yīng)( (接接觸燃燒觸燃燒) )所需要的熱量。當(dāng)檢測元件所需要的熱量。當(dāng)檢測元件F1與可燃性氣體接與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用( (燃燒燃燒) )，釋放出熱量，使得，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再檢測元件的溫度上升，電

5、阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差間產(chǎn)生電位差E。 AF2F1MR1R2CBDW2W1E09AF2F1MR1R2CBDW2W1E02110211RRRRRRRREEFFFFFFFFFFRRRRRRRREE12212110因?yàn)镽F很小，且RF1R1=RF2R2 10這樣，在檢測元件F1和補(bǔ)償元件F2的電阻比RF2/RF1接近于1的范圍內(nèi)，A，B兩點(diǎn)間的電位差E，近似地與RF成比例。在此，RF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例的。212110FFRRRRREkFFFRRRkE12如果令則有11RF可用下式

6、表示 CQmCHTRF檢測元件的電阻溫度系數(shù)；T由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加值；H可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； C檢測元件的熱容量； Q可燃性氣體的燃燒熱；m可燃性氣體的濃度(Vol)；由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。12 ，C和和的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。表面處理方法等因素有關(guān)。Q是由可燃性氣體的種類是由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則決定。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則:CQbE=kmbCQmCHTRF13A、B間的電位差間的電位差E，并由，并由此求得空氣中可燃

7、性氣體此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感應(yīng)特性曲線如圖。應(yīng)特性曲線如圖。接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性00.20.40.60.81.050100150輸出電壓/mV丙烷乙醇異丁烷丙酮環(huán)己烷氣體濃度(XLEL)即即A、B兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。成比例。如果在如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測得測得E=kmb143、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)、

8、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 用高純的鉑絲用高純的鉑絲, ,繞制成線圈繞制成線圈, ,為了使線圈具有適當(dāng)?shù)臑榱耸咕€圈具有適當(dāng)?shù)淖柚底柚? (12),),一般應(yīng)繞一般應(yīng)繞10圈以上。在線圈外面涂以氧圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層, ,干燥后在一干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球, ,放在貴放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中金屬鉑、鈀等的鹽溶液中, ,充分浸漬后取出烘干。然后充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚斫?jīng)過高溫?zé)崽幚? ,使在氧化鋁使在氧化鋁( (氧化鋁一氧化硅氧化鋁一氧化硅)

9、 )載體上載體上形成貴金屬觸媒層形成貴金屬觸媒層, ,最后組裝成氣體敏感元件。最后組裝成氣體敏感元件。153、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀體充分混合后配成膏狀, ,涂覆在鉑絲繞成的線圈上涂覆在鉑絲繞成的線圈上, ,直直接燒成后備用。接燒成后備用。 另外，作為補(bǔ)償元件的鉑線圈另外，作為補(bǔ)償元件的鉑線圈, ,其尺寸、阻值均應(yīng)其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測元件相同。并且與檢測元件相同。并且, ,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層體層, ,只是無須浸漬貴金屬鹽溶

10、液或者混入貴金屬觸媒只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體粉體, ,形成觸媒層而已。形成觸媒層而已。 16(b)敏感元件外形圖接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖(a)元件的內(nèi)部示意圖 觸媒Al2O3載體Pt絲元件(0.8-2)mm17第第10 10章章 氣敏傳感器氣敏傳感器 l接觸燃燒式氣敏元件l金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件l氧化鋯氣敏元件l氣體傳感器的應(yīng)用18 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性電學(xué)特性( (例如電導(dǎo)率例如電導(dǎo)率) )發(fā)生變化。目

11、前流行的定性模發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：型是：原子價(jià)控制模型原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型表面電荷層模型、晶粒間界晶粒間界勢壘模型勢壘模型。19 1 1、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （1 1）氣敏元件的電阻值）氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件稱為氣敏元件(電阻型電阻型)的固有電阻值，表示為的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在一般其固有電阻值在(10103 310105 5)范圍。范圍。 測定固有電阻值測定固有電阻值時(shí)時(shí), 要求必須在潔凈空氣環(huán)境要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由

12、于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測定，其固有電溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測量。中進(jìn)行測量。20（2）氣敏元件的靈敏度）氣敏元件的靈敏度 是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)。是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣

13、敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種有三種 21（a a）電阻比靈敏度）電阻比靈敏度K K（b b）氣體分離度）氣體分離度R RC1C1氣敏元件在濃度為氣敏元件在濃度為C1C1的被測氣體中的阻值：的被測氣體中的阻值： R R2 2氣敏元件在濃度為氣敏元件在濃度為C2C2的被測氣體中的阻值。的被測氣體中的阻值。通常，通常，C C1 1C C2 2。（c c）輸出電壓比靈敏度）輸出電壓比靈敏度K KV VV Va a: :氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；V Vg

14、 g: :氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出 gaVVVK 21CCRRRa氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值；Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值gaRRK 22agiaggigVVVVVVS （3）氣敏元件的分辨率）氣敏元件的分辨率 表示氣敏元件對被測氣體的識(shí)別（選擇）以及對表示氣敏元件對被測氣體的識(shí)別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為表示為Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓；氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定

15、濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓Vgi氣敏元件在氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓23（4）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間 表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時(shí)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的定電阻值的63時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏

16、元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)tr表示。表示。 24（5 5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在氣敏元件一般工作在200200以上高溫。為氣敏元件以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻提供必要工作溫度的加熱電路的電阻( (指加熱器的電指加熱器的電阻值阻值) )稱為加熱電阻，用稱為加熱電阻，用R RH H表示。直熱式的加熱電阻表示。直熱式的加熱電阻值一般小于值一般小于55；旁熱式的加熱電阻大于；旁熱式的加熱電阻大于2020。氣敏。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，元

17、件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用用表示。一般在表示。一般在(0.5(0.52.0)2.0)W范圍。范圍。 25 （6）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間 表示在工作溫度下表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的被測氣體由該元件上解吸的速度速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時(shí)開始計(jì)時(shí)一般從氣敏元件脫離被測氣體時(shí)開始計(jì)時(shí),直到直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時(shí)所需時(shí)間。時(shí)所需時(shí)間。26（7）初期穩(wěn)定時(shí)間）初期穩(wěn)定時(shí)間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件, ,因表面吸附空因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體氣中的水分或

18、者其他氣體, ,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后上電負(fù)荷后, ,隨著元件溫度的升高隨著元件溫度的升高, ,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此, ,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài)使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài), ,需要一定的時(shí)間需要一定的時(shí)間, ,稱為氣敏稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時(shí)間。元件的初期穩(wěn)定時(shí)間。 一般電阻型氣敏元件一般電阻型氣敏元件, ,在剛通電的瞬間在剛通電的瞬間, ,其電阻值將下其電阻值將下降降, ,然后再上升然后再上升, ,最后達(dá)到穩(wěn)定。最后達(dá)到穩(wěn)定。 由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間, ,稱稱為初期穩(wěn)定時(shí)

19、間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)為初期穩(wěn)定時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長, ,其初期穩(wěn)定時(shí)間也越長。其初期穩(wěn)定時(shí)間也越長。在一般條件下在一般條件下, ,氣敏元件存放兩周以后氣敏元件存放兩周以后, ,其初期穩(wěn)定時(shí)間即其初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。可達(dá)最大值。 272 2、燒結(jié)型、燒結(jié)型SnOSnO2 2氣敏元件氣敏元件 SnO2系列氣敏元件有系列氣敏元件有燒結(jié)型燒結(jié)型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三三種。種。 燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小其敏感體用粒徑很小( (平均平均粒徑粒徑m) )的的SnO2粉體

20、為基本材料，根據(jù)需要添粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性可燃的還原性氣體，其工作溫度約氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱。根據(jù)加熱方式，分為方式，分為直接加熱式直接加熱式和和旁熱式旁熱式兩種兩種。28（1）直接加熱式）直接加熱式SnO2氣敏元件氣敏元件(直熱式氣敏元件直熱式氣敏元件)內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào) 由芯片由芯片( (敏感體和加熱器敏感體和加熱器) )，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測

21、量電路與加熱部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相電路間易相互干擾，加熱器與互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。少使用。 29（2）旁熱式）旁熱式SnO2氣敏元件氣敏元件加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)7100目不銹鋼網(wǎng)18.412312345674545氣敏元件外形和引出線分布30第第10 10章章 氣敏傳感器氣敏傳感器 l接觸燃燒式氣敏元件l金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件l

22、氧化鋯氣敏元件l氣體傳感器的應(yīng)用31 固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。一般認(rèn)為，固體物質(zhì)一般認(rèn)為，固體物質(zhì)( (金屬或半導(dǎo)體金屬或半導(dǎo)體) )中，作為載流中，作為載流子傳導(dǎo)電流的是正、負(fù)離子?？墒?，在固體電解質(zhì)子傳導(dǎo)電流的是正、負(fù)離子?？墒?，在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，卻主要是離子。二氧中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，卻主要是離子。二氧化鋯（化鋯（ZrO2）在高溫下）在高溫下( (但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度) )具有具有氧離子傳導(dǎo)性氧離子傳導(dǎo)性。 32 純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶

23、系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100下，為正方晶下，為正方晶系，系，2500下，為立方晶系，下，為立方晶系，2700下熔融，在熔下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)

24、的種類和數(shù)量而變化。而變化。 33 在二氧化鋯中添加氧化在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為尤其是在氧化鈣添加量為1515molmol左右時(shí)左右時(shí),離子電導(dǎo)出現(xiàn)離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。元件才有足夠的靈敏度。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/% molZrO2中雜質(zhì)含量與電導(dǎo)關(guān)系離子電導(dǎo)lg/-1cm-134 添加三

25、氧化二釔的添加三氧化二釔的ZrOZrO2 2Y Y2 2O O3 3固溶體，離子活性較高，在固溶體，離子活性較高，在較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加元件。添加Y2O3的的ZrO2固體電固體電解質(zhì)材料，稱為解質(zhì)材料，稱為YSZ材料。材料。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/% molZrO2中雜質(zhì)含量與電導(dǎo)關(guān)系離子電導(dǎo)lg/-1cm-135ZrO2系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)與溫度關(guān)系56008001000120010-110-210-310-4

26、123467t /離子電導(dǎo)/-1cm-11 添加8%molYb2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2 ；4 添加10%molY2O3 ；5 添加13%molCaO6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO36第第10 10章章 氣敏傳感器氣敏傳感器 l接觸燃燒式氣敏元件l金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件l氧化鋯氣敏元件l氣體傳感器的應(yīng)用37分為檢測、報(bào)警、監(jiān)控等幾種類型。分為檢測、報(bào)警、監(jiān)控等幾種類型。1 1、電源電路、電源電路 一般氣敏元件的工作電壓不高一般氣敏元件的工作電壓不高( (3V10V) )，其，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，

27、必須穩(wěn)定。否工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元?jiǎng)t，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測準(zhǔn)確性。件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測準(zhǔn)確性。382 2、輔助電路、輔助電路 由于氣敏元件自身的特性由于氣敏元件自身的特性( (溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等初期穩(wěn)定性等) )，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。如采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)慮。如采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電初期，因氣敏引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電

28、初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知元件阻值大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。下電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。下圖是一溫度圖是一溫度補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路39當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度熱敏電阻當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度熱敏電阻(R(R5 5) )的阻的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。BZU氣敏傳感器氖管蜂鳴器NTC電阻WR1R2R3R4R5R6SCR40 圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時(shí)電路。剛通電的延時(shí)電路。剛通電時(shí)，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓時(shí)，其電阻值

29、也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，器，蜂鳴器蜂鳴器( (BZ) )不發(fā)出報(bào)警。當(dāng)通電不發(fā)出報(bào)警。當(dāng)通電12min后，阻后，阻值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進(jìn)入正常值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。的工作狀態(tài)。 BZ氣敏傳感器PTC電阻R2R1R3R4BCRUB蜂鳴器氖管413 3、檢測工作電路、檢測工作電路 這是氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。 下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動(dòng)其工作而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 220VBZ 氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR42 下圖是差

30、分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖。下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖。 在此電路中，在此電路中，BG1、BG2的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好選用差分對管。采用這種差分電路，檢測氣體的靈敏選用差分對管。采用這種差分電路，檢測氣體的靈敏度很高。度很高。 K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VA 差分式可燃性氣體檢測儀電路R1RQ43應(yīng)用案例1:酒精檢測報(bào)警控制器44 近幾年，因駕駛員飲酒而引發(fā)的交通事故越來越近幾年，因駕駛員飲酒而引發(fā)的交通事故越來越多。以二氧化錫氣敏元件為酒精傳感器，用來檢多。以二氧化錫氣敏元件為酒精傳感器，用來檢測駕駛員是否飲酒的檢

31、測報(bào)警器應(yīng)運(yùn)而生，但由測駕駛員是否飲酒的檢測報(bào)警器應(yīng)運(yùn)而生，但由于二氧化錫氣敏元件不僅對酒精敏感，而且對于于二氧化錫氣敏元件不僅對酒精敏感，而且對于車內(nèi)的汽油味、香煙味也同樣敏感，經(jīng)常造成檢車內(nèi)的汽油味、香煙味也同樣敏感，經(jīng)常造成檢測報(bào)警器發(fā)生誤動(dòng)作而不能普遍推廣使用。測報(bào)警器發(fā)生誤動(dòng)作而不能普遍推廣使用。45 本裝置是酒精氣味檢測報(bào)警器，當(dāng)駕駛員飲酒上本裝置是酒精氣味檢測報(bào)警器，當(dāng)駕駛員飲酒上車后，該檢測器接觸到酒精氣味后立即發(fā)出響亮車后，該檢測器接觸到酒精氣味后立即發(fā)出響亮而又連續(xù)不斷的而又連續(xù)不斷的“酒后別開車酒后別開車”的語音報(bào)警聲，的語音報(bào)警聲，并切斷車輛的點(diǎn)火電路，強(qiáng)制車輛熄火。并

32、切斷車輛的點(diǎn)火電路，強(qiáng)制車輛熄火。 該報(bào)警器既可以安裝在各種機(jī)動(dòng)車上用來限制駕該報(bào)警器既可以安裝在各種機(jī)動(dòng)車上用來限制駕駛員酒后駕車，也可以安裝成便攜式，用來供交駛員酒后駕車，也可以安裝成便攜式，用來供交通人員用于交通現(xiàn)場，檢測駕駛員是否酒后駕駛通人員用于交通現(xiàn)場，檢測駕駛員是否酒后駕駛之用具有很高的實(shí)用性。之用具有很高的實(shí)用性。46 酒精檢測報(bào)警控制器：當(dāng)酒精氣敏元件接觸到酒精酒精檢測報(bào)警控制器：當(dāng)酒精氣敏元件接觸到酒精味后，味后，B極的電壓升高，升高的電壓隨檢測到的酒精極的電壓升高，升高的電壓隨檢測到的酒精濃度增大而升高，這就產(chǎn)生了氣電信號(hào)。濃度增大而升高，這就產(chǎn)生了氣電信號(hào)。47 當(dāng)該信

33、號(hào)電壓達(dá)到當(dāng)該信號(hào)電壓達(dá)到1.6V時(shí)，使時(shí)，使IC2導(dǎo)通，語音報(bào)警電導(dǎo)通，語音報(bào)警電路路IC3得電發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)繼電器得電發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)繼電器J動(dòng)作，其常閉動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開，切斷車輛點(diǎn)火電路，強(qiáng)制發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。觸點(diǎn)斷開，切斷車輛點(diǎn)火電路，強(qiáng)制發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。48 IC3和和IC4組成語言聲光報(bào)警器，組成語言聲光報(bào)警器，IC3得電后即輸出連得電后即輸出連續(xù)不斷的續(xù)不斷的“酒后別開車酒后別開車”的語音報(bào)警聲，經(jīng)的語音報(bào)警聲，經(jīng)C6輸入輸入到到IC4進(jìn)行功率放大后，由揚(yáng)聲器發(fā)出響亮的報(bào)警聲，進(jìn)行功率放大后，由揚(yáng)聲器發(fā)出響亮的報(bào)警聲，并驅(qū)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)LED閃光。閃光。49應(yīng)用案例2:廚用氣體監(jiān)測裝置控制

34、器50 這種廚用氣體監(jiān)測裝置可在一氧化碳等有害氣體這種廚用氣體監(jiān)測裝置可在一氧化碳等有害氣體超過規(guī)定值時(shí)自動(dòng)接通排氣扇電源，并發(fā)出聲光超過規(guī)定值時(shí)自動(dòng)接通排氣扇電源，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，待有害氣體濃度降到標(biāo)準(zhǔn)值以下時(shí)即報(bào)警信號(hào)，待有害氣體濃度降到標(biāo)準(zhǔn)值以下時(shí)即切斷電源。切斷電源。51 在通常情況下，在通常情況下，QM-N5型半導(dǎo)體氣敏傳感器呈現(xiàn)的型半導(dǎo)體氣敏傳感器呈現(xiàn)的電阻值較高，一旦接觸到可燃性氣體，該器件兩端電阻值較高，一旦接觸到可燃性氣體，該器件兩端的電阻迅速降低，從而使的電阻迅速降低，從而使R1兩端的電壓隨之上升。兩端的電壓隨之上升。52 當(dāng)該電壓達(dá)到由一半當(dāng)該電壓達(dá)到由一半LM358

35、雙運(yùn)放組成的遲滯比較器雙運(yùn)放組成的遲滯比較器的上限電壓時(shí)，的上限電壓時(shí)，LM358的的1腳由低電平轉(zhuǎn)為高電平。腳由低電平轉(zhuǎn)為高電平。1腳輸出的高電平一路經(jīng)腳輸出的高電平一路經(jīng)LED1和和R6驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使繼電器吸合接通換氣扇電源；另一路經(jīng)繼電器吸合接通換氣扇電源；另一路經(jīng)R7使使IC4的的4腳腳變?yōu)楦唠娖?。由變?yōu)楦唠娖?。由IC4組成的多諧振蕩器起振，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲組成的多諧振蕩器起振，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，同時(shí)器發(fā)出聲音，同時(shí)LED1的閃光也可兼作報(bào)警用。的閃光也可兼作報(bào)警用。53 氣敏元件在剛接通電源時(shí)，即使在新鮮空氣里，它的測氣敏元件在剛接通電源時(shí)，即使在新鮮空氣里，它的測量電極也

36、會(huì)輸出一定幅值的電壓。所以，電路中由另一量電極也會(huì)輸出一定幅值的電壓。所以，電路中由另一半半LM358組成延時(shí)電路。剛接通電源時(shí)，由于組成延時(shí)電路。剛接通電源時(shí)，由于C5作用，作用，IC3的的6腳為低電平，因此比較器的輸出端即腳為低電平，因此比較器的輸出端即IC3的的7腳腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)VT2導(dǎo)通，將導(dǎo)通，將IC2的的3腳對地短路，此腳對地短路，此時(shí)報(bào)警電路將不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。時(shí)報(bào)警電路將不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。54 當(dāng)當(dāng)IC3兩端的電壓通過兩端的電壓通過R13充電逐漸升到約充電逐漸升到約2/3電電源電壓時(shí)，該比較器將輸出低電平，解除對源電壓時(shí)，該比較器將輸出低電平，解除對IC2的的3腳的封鎖。腳的封鎖。55應(yīng)用案例3:煙霧報(bào)警器56 整個(gè)電路分為電源、檢測、定時(shí)報(bào)警輸出三部分。 煙霧檢測檢測器件所需的10V和5V直流電源由三端穩(wěn)壓器7810、7805供給。57