氣敏傳感器及信號(hào)調(diào)理電路

1、氣敏傳感器及信號(hào)調(diào)理電路及信號(hào)調(diào)理電路一概述二分類三電阻型傳感器四非電阻型傳感器五接觸燃燒式氣敏傳感器六氣敏傳感器的應(yīng)用 氣敏傳感器是用來檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。它將氣體種類及其濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。 氣體與人類的日常生活密切相關(guān)：如在用氣體、煤炭作為燃料的場(chǎng)合，由于燃燒不完全，會(huì)產(chǎn)生大量有毒一氧化碳?xì)怏w，如果室內(nèi)通風(fēng)不良或排氣不暢就會(huì)使人中毒；在煤礦井下，甲烷等可燃性氣體超標(biāo)易產(chǎn)生瓦斯爆炸；司機(jī)飲酒過度易造成交通事故等。說以氣體檢測(cè)在改善和保護(hù)人類的生活環(huán)境具有重要意義。概述一一氣敏傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域各種各

2、種氣體氣體各種各種氣體氣體H H2 2O OCOCO2 2O O2 2工農(nóng)業(yè)工農(nóng)業(yè)COCOH H2 2O O乙醇乙醇NONOX XSOSOX XCOCO油氣油氣H H2 2S SHCNHCNO O2 2COCOCOCO2 2氣敏氣敏元件元件可燃?xì)饪扇細(xì)猸h(huán)保環(huán)保醫(yī)用醫(yī)用民用民用安全安全LPLP有害氣有害氣COCO可燃?xì)饪扇細(xì)釩OCO有機(jī)氣有機(jī)氣COCO大大氣氣污污染染鍋鍋爐爐及及引引擎擎醫(yī)醫(yī)院院防災(zāi)防災(zāi)民民用用廚廚房房集集體體住住宅宅群群工廠工廠研究所研究所農(nóng)林農(nóng)林某些機(jī)關(guān)某些機(jī)關(guān)工業(yè)工業(yè)農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)船舶船舶地鐵等地鐵等 由于氣體種類繁多, 性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測(cè)所有類別的氣體，因此，

3、能實(shí)現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多。 半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面，還是內(nèi)部，可劃分為表面控制型和體控制型兩類； 按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，又可分為電阻型和非電阻型兩種。 從構(gòu)成材料可將從構(gòu)成材料可將 氣敏傳感器歸為兩類類：氣敏傳感器歸為兩類類：半導(dǎo)體、非半導(dǎo)體半導(dǎo)體、非半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類2 2電阻型非電阻型表面控制型體控制性表面控制型SnO2、ZnO等的燒結(jié)體、薄膜、厚膜原件結(jié)構(gòu)原件結(jié)構(gòu)氧化鈦、氧化鎂、SnO2鉑-硫化鎘、鉑-氧化鈦鉑柵、鈀柵檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)對(duì)象可燃性氣體酒精、可燃性氣體、氧氣氫氣、一氧化碳、酒精氫氣、硫化氫類型類型類別類別 當(dāng)表面吸附某種氣體時(shí)會(huì)引起電

4、導(dǎo)率的變化。圖為燒結(jié)體N型半導(dǎo)瓷的模型，導(dǎo)電通路的等效電路如圖所示。Rn為頸部等效電阻，Rb為晶粒的等效體電阻，Rs為晶體的等效表面電阻。Rb的阻值較低，不受吸附氣體影響。Rn、Rs受吸附氣體控制，Rn遠(yuǎn)大于Rb ，Rs遠(yuǎn)大于Rb，所以Rs被短路，因而只等效成Rn串聯(lián)的電路。半導(dǎo)陶瓷氣敏電阻的阻值隨氣體的數(shù)量和種類而改變。電阻型傳感器3 33.1表面電阻控制型傳感器由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，由于空氣中的含氧量大體上是恒定的， 因此氧的吸因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)固定。若氣體濃附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可度發(fā)生變化

5、，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。氧氧 化化 性性 氣氣 體體 吸吸 附附響響 應(yīng)應(yīng) 時(shí)時(shí) 間間 60s還還 原原 性性 氣氣 體體 吸吸 附附加加 熱熱穩(wěn)穩(wěn)定定氣氣 體體 吸吸 附附大大 氣氣 中中1 10 0s s2 2m mi in n4 4m mi in n1 10 00 05 50 05 5- - - -R R( (K K ) )N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)的器件電阻變化。 通電后，元件被加熱，阻值迅速下降，一般經(jīng)210min后，阻值達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為初始穩(wěn)定狀態(tài)。到達(dá)初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短與環(huán)境條件有關(guān)。

6、必須指出，使用元件時(shí)必須預(yù)熱，待元件達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，才能開始測(cè)量。 當(dāng)被測(cè)氣體與加熱的氣敏電阻接觸時(shí)，首先氣體分子在其表面擴(kuò)散，然后被氣敏電阻吸附。加熱電極的作用是提高氣敏電阻的吸附能力。氣敏電阻對(duì)被測(cè)氣體的吸附作用有兩種形式，一是以陰離子形式被吸附；二是以陽(yáng)離子形式被吸附。3.2體電阻控制型傳感器 體電阻控制型氣敏元件，受到外界氧分壓強(qiáng)，或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，隨之體電阻發(fā)生變化。這種變化是可逆的，當(dāng)待測(cè)氣體脫離后氣敏元件又恢復(fù)原狀。 當(dāng)它與氣體接觸時(shí)，隨著氣體濃度的增加形成Fe2+離子，而變成Fe3O4，使器件的體電阻下降。當(dāng)被測(cè)氣體脫離后，它又被氧化，即

7、恢復(fù)原狀態(tài)。0.050.10.20.51.0-1002005001000氣體濃度(%Vol)空氣CH4H2C2H5OHC3H8i-CH4H1050電阻(K ) 氧化鐵系氣敏元件氧化鐵系氣敏元件-Fe-Fe2 2O O3 3氣敏元件氣敏元件 非電阻型氣敏傳感器目前主要有二極管、場(chǎng)效應(yīng)管及電容型集中。它是利用MOS二極管的電容電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。 非電阻型氣敏傳感器4 4 MOS結(jié)構(gòu)的鈀-MOS二極管敏感原件，總電容C是柵極偏壓U的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系稱為MOS管的電容電壓特性利用其C-U特性明顯地有變化。MOSMOS二極管氣敏器

8、件二極管氣敏器件結(jié)構(gòu)和等效電路結(jié)構(gòu)和等效電路 MOS二極管氣敏器件的CU特性 當(dāng)傳感器工作時(shí)，由于鈀在吸附H2后，會(huì)使鈀的功函數(shù)降低，從而引起MOS管的CU特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖所示，由此可測(cè)定H2濃度。 其漏極電流ID有柵壓控制，將柵極和漏極短路，在源極和漏極之間加電壓，ID的計(jì)算式為ID=（UG-UT）2，始終UT為ID流過時(shí)最小臨界電壓值。 在測(cè)量中，UT會(huì)隨空氣中所含H2濃度的增高而降低。P SiNNAlSiO2DSPd柵可燃性氣體可燃性氣體( (H2、CO、CH4等等) )與空氣中的氧與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱反應(yīng)熱( (無焰接觸無焰接觸燃

9、燒熱燃燒熱) )，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高性氣體的濃度都不太高( (低于低于10) )，可燃性，可燃性氣體可以完全燃燒，其氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)的濃度有關(guān)。 接觸燃燒式氣敏傳感器5-主要用于可燃性氣體的檢主要用于可燃性氣體的檢測(cè)測(cè)圖中圖中F1是是檢測(cè)元件檢測(cè)元件；F2是是補(bǔ)償元件補(bǔ)償元件，其作用是，其作用是補(bǔ)償可燃性補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化

10、等因素所引起的偏差的偏差。工作時(shí)，要求在。工作時(shí)，要求在F1和和F2上保持上保持100mA200mA的電的電流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)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(cè)元件所需要的熱量。當(dāng)檢測(cè)元件F1與可燃性氣體接觸時(shí)，與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用由于劇烈的氧化作用( (燃燒燃燒) )，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差間產(chǎn)生電位差E。 2110211RRRRRRRREEF

11、FFFF因?yàn)橐驗(yàn)镽F很小，且很小，且RF1R1=RF2R2 FFFFFRRRRRRRREE12212110AF2F1MR1R2CBDW2W1E0這樣，在檢測(cè)元件這樣，在檢測(cè)元件F1和補(bǔ)償元件和補(bǔ)償元件F2的電阻比的電阻比RF2/RF1接近接近于于1的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，A，B兩點(diǎn)間的電位差兩點(diǎn)間的電位差E，近似地與，近似地與RF成成比例。在此，比例。在此，RF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化度變化(燃燒熱燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧可燃性氣體氧化反應(yīng)熱化反應(yīng)熱)成比例的。即成比例的。即RF可用下式表示可用下式表示 212110FFRRRRREkFFFRRRkE12CQmCHTRF如果令如果令則有則有檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)；檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)；T由于可燃性氣體接