重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院-傳感器與檢測技術(shù)項目式教學(xué)--項目六

1、半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器氣體敏感元件，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)生發(fā)生變化。變化。 根據(jù)半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，可分為電阻型和非電阻型兩種。根據(jù)半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，可分為電阻型和非電阻型兩種。在此只介紹電阻型。在此只介紹電阻型。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，稱為氣敏元件將電阻型氣敏元件

2、在常溫下潔凈空氣中的電阻值，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時, 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(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，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測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，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。

3、因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測量。境中進(jìn)行測量。（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)。它表示氣體敏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電阻值）與被測氣體濃度感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種之間的依從關(guān)系。表示方法有三種 （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

4、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，負(fù)載電阻上的電壓輸出；氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的電壓輸出；V Vg g: :氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，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，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 （4）氣敏元件的響應(yīng)時間）氣敏元件的響應(yīng)時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣表示在

5、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開始計時，直到氣敏元件的敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通常用符號氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通常用符號tr表示。表示。 agiaggigVVVVVVS （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別（選擇）以及對干擾氣表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率體的抑制能力

6、。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，負(fù)載電阻上的輸出電壓；氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，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，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，負(fù)載電阻的電壓種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負(fù)載電阻的電壓 （5）氣敏元件的恢復(fù)時間）氣敏元件的恢復(fù)時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速度被測氣體由該元件上解吸的速度,一一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復(fù)直到其阻值恢復(fù)到在潔

7、凈空氣中阻值的到在潔凈空氣中阻值的63時所需時間。時所需時間。（6）初期穩(wěn)定時間）初期穩(wěn)定時間 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, ,其電阻值將其電阻值將下降下降, ,然后再上升然后再上升, ,最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時間元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時間, ,稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長間越長, ,其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下, ,氣敏元?dú)饷粼?/p>

8、存放兩周以后件存放兩周以后, ,其初期穩(wěn)定時間即可達(dá)最大值。其初期穩(wěn)定時間即可達(dá)最大值。 （2min)2 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種。燒三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。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( (平均粒徑平均粒徑m) )的的SnO2粉體為粉體為基本材料，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)加熱方式，分為。根

9、據(jù)加熱方式，分為直接加熱式直接加熱式和和旁熱式旁熱式兩種兩種。（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1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號由芯片由芯片( (敏感體和加熱器敏感體和加熱器) )，基，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相測量電路與加熱電路間易相互互干擾，加熱器與干擾，加熱器與SnO2基體間基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，接觸不良，造成元件的失效，

10、現(xiàn)已很少使用?，F(xiàn)已很少使用。 （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SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號氣體傳感器的應(yīng)用氣體傳感器的應(yīng)用 分為檢測、報警、監(jiān)控等幾種類型。分為檢測、報警、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) )，其工作，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)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，使氣敏元件的工作點(diǎn)漂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，

11、影響檢測準(zhǔn)確性。移，影響檢測準(zhǔn)確性。2 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、制作應(yīng)用電路時，應(yīng)予以考，在設(shè)計、制作應(yīng)用電路時，應(yīng)予以考慮。如采用慮。如采用溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置起的誤差；設(shè)置延時電路延時電路，防止通電初期，因氣敏元件，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報；使用加熱器阻值大幅度變化造成誤報；使用加熱器失效通知電路失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報現(xiàn)象。防止加熱器失效導(dǎo)致漏報現(xiàn)象。3 3

12、、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。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，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。入蜂鳴器的電流，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。 220VBZ 氖管家用可燃性氣體報警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR 下圖是差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

13、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，檢測氣體的靈敏度可達(dá)度可達(dá)100 106。 K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VA 差分式可燃性氣體檢測儀電路R1RQ下圖是家用煤氣下圖是家用煤氣(CO)安全報警電路。安全報警電路。一部分是煤氣報警器，在煤氣濃度達(dá)到危險界限前發(fā)生警報；另一一部分是煤氣報警器，在煤氣濃度達(dá)到危險界限前發(fā)生警報；另一部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧氣中主要有害成分一氧化

14、碳與空氣負(fù)離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成反應(yīng)，生成對人體無害的二氧化碳。對人體無害的二氧化碳。IC1IC2JBG3220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED6213748521387B1B2D7煤氣安全報警器原理圖應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 例例1：家用可燃性氣體報警器電路：家用可燃性氣體報警器電路。 220V220VBZBZ 氖管氖管家用可燃性氣體報警器電路家用可燃性氣體報警器電路氣敏傳感器氣敏傳感器蜂鳴器蜂鳴器B BR R圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中

15、可燃性氣體濃圖是設(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，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。電流，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。例例2 2：實(shí)用酒精測試儀（測試駕駛員醉酒的程度）。：實(shí)用酒精測試儀（測試駕駛員醉酒的程度）。氣體傳感器選用氣體傳感器選用二氧化錫二氧化錫氣敏元件。氣敏元件。工作原理：工作原理： 當(dāng)氣體傳感器探測不到酒精時當(dāng)氣體傳感器探測不到酒精時, , 加在加在A A5 5腳的電平為低腳的電平為低電平電平; ; 當(dāng)氣體傳感器探測到酒精時當(dāng)氣體傳感器探測到酒精時, , 其內(nèi)阻變低其內(nèi)阻變低, , 從而使從而使A A5 5腳電平變高。腳電平變高。 A A為顯示驅(qū)動器為顯示驅(qū)動器, , 它共有它共有1010個輸出端個輸出端, , 每每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管, , 顯示推動器顯示推動器A A根據(jù)第根據(jù)第5 5腳電壓高低來確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的級數(shù)腳電壓高低來確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的級數(shù), , 酒精含量酒精含量越高則點(diǎn)亮二極管的級數(shù)越大越高則點(diǎn)亮二極管的級數(shù)越大。上。上5 5個發(fā)光二極管為紅色個發(fā)光二極管為紅色, , 表示超過安全水平。下表示超過安全水平。下5 5