氣敏傳感器公開課ppt

氣敏傳感器提問：同學(xué)們都會知道哪些是有毒有害的氣體呢？煤氣、CO、甲烷、煙霧是的，這些氣體當(dāng)達(dá)到一定濃度的時候都會危機(jī)到我們的生命。2、那我們要如何預(yù)防有害氣體對我們的生命安全造成的傷害呢？裝個對這些有害氣體敏感的報警器。這章要介紹的氣敏傳感器就是這種報警器電路里一個很重要的器件。接下來我們就開始介紹氣敏傳感器。

氣敏傳感器的作用相當(dāng)于我們的鼻子，可“嗅”出空氣中某種特定的氣體，并判定氣體的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對氣體成分的檢測和監(jiān)測，以改善人們的生活水平，保障人們的生命。環(huán)境污染、火災(zāi)報警煤礦化工一、與氣敏相關(guān)的基本概念

氣體濃度的表示？

對環(huán)境大氣（空氣）中污染物濃度的表示方法有兩種：1、質(zhì)量濃度表示法：每立方米空氣中所含污染物的質(zhì)量數(shù)，即mg/m32、體積濃度表示法：一百萬體積的空氣中所含污染物的體積數(shù)，即ppm

大部分氣體檢測儀器測得的氣體濃度都是體積濃度（ppm）。而按中國規(guī)定，特別是環(huán)保部門，則要求氣體濃度以質(zhì)量濃度的單位（mg/m3）表示，中國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也都是采用質(zhì)量濃度單位（如：mg/m3）表示。什么是氣敏傳感器？氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。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所有類別的氣體，因此，能實(shí)現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多，按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。

煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器酒精測試儀呼氣管家庭用液化氣報警器一氧化碳傳感器其他氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器二氧化碳濃度傳感器

氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測量汽車尾氣分析有毒氣體傳感器的使用1、氣敏傳感器的性能要求：

對被測氣體具有較高的靈敏度對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感性能穩(wěn)定，重復(fù)性好動態(tài)特性好，對檢測信號響應(yīng)迅速使用壽命長制造成本低，使用與維護(hù)方便等氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。因此，對氣敏元件有下列要求：二、認(rèn)識氣敏傳感器2、常見氣敏傳感器的分類

3、半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理

半導(dǎo)體式氣敏傳感器：利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測特定氣體的成分或者濃度材料：氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導(dǎo)體；其中P型：如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。N型：如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等。合成材料有時還滲入了催化劑,如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。表7-1半導(dǎo)體氣敏元件的分類基本原理是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。半導(dǎo)體氣敏材料吸附氣體的能力很強(qiáng)。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體，也就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價升高的氣體；多數(shù)屬于可燃性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2,ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體(CrO3)上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖9-1N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖

規(guī)則總結(jié)：氧化型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加

4、半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)1.電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

圖9-2氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

圖9-2氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

由于加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號如圖9-3所示。圖9-3直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號

旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號如圖9-4所示圖9-4旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(a)旁熱式結(jié)構(gòu)；(b)符號2.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。

(1)MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖9-5(a)所示。圖9-5MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)C-U特性

(2)MOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件鈀-MOS場效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET)的結(jié)構(gòu)，參見圖9-6。圖9-6鈀—MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)（1）氣敏元件靈敏度特性燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型SnO2氣敏器件對氣體的靈敏度特性如右圖所示。氣敏元件的阻值RC與空氣中被測氣體的濃度C成對數(shù)關(guān)系：logRC＝mlogC+n式中n與氣體檢測靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和添加劑的不同而發(fā)生大幅度變化。m為氣體的分離度，隨氣體濃度變化而變化，對于可燃性氣體，。

在氣敏材料SnO2中添加鉑(Pt)或鈀(Pd)等作為催化劑，可以提高其靈敏度和對氣體的選擇性。添加劑的成分和含量、元件的燒結(jié)溫度和工作溫度都將影響元件的選樣性。5、氣敏元件的基本特性

1.SnO2系（2）SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其它類型氣敏元件（如接觸燃燒式氣敏元件）相比，SnO2氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。

（3）SnO2氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短，可連續(xù)長時間使用。

（4）元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性較高，機(jī)械性能良好。

（5）對氣體檢測不需要復(fù)雜的處理設(shè)備?？蓪⒋龣z測氣體濃度可通直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?信號處理電路簡單。

影響

SnO2氣敏效應(yīng)的主要因素（1）SnO2結(jié)構(gòu)組成對氣敏效應(yīng)的影響SnO2具有金紅石型晶體結(jié)構(gòu)，用于制作氣敏元件的SnO2，一般都是偏離化學(xué)計量比的，在SnO2中有氧空位或錫間隙原子。這種結(jié)構(gòu)缺陷直接影響氣敏器件特征。一般地說，SnO2中氧空位多，氣敏效應(yīng)明顯。（2）SnO2中添加物對氣敏效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)證明，SnO2中的添加物質(zhì)，對其氣敏效應(yīng)有明顯影響。表7-3列出了具有不同添加物質(zhì)的SnO2氣敏元件的氣敏效應(yīng)。

（3）燒結(jié)溫度和加熱溫度對氣敏效應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)證明，制作元件的燒結(jié)溫度和元件工作時的加熱溫度，對其氣敏性能有明顯影響。因此，利用元件這一特性可進(jìn)行選擇檢測。

表7-3添加物對SnO2氣敏效應(yīng)的影響

添加物質(zhì)

檢測氣體

使用溫度（℃）

PdO,Pd

CO，C3H8酒精

200～300

Pd,Pt過渡金屬

CO，C3H8

200～300

PdCI2，SbCI3

CH4，C3H8,CO

200～300

Sb2O3,TiO2TIO3

250～300

V2O5，Cu

250～400

稀土類

酒精系可燃性氣體

過渡金屬

還原性氣體

250～300

Sb2O3,Bi2O3

還原性氣體

500～800

高嶺土（陶土），Bi2O3WO

LPG，CO，城市煤氣，酒精酒精，丙酮碳?xì)湎颠€原性氣體200～300（4）SnO2氣敏元件易受環(huán)境溫度和濕度的影響，上圖給出了SnO2氣敏元件受環(huán)境溫度、濕度影響的綜合特性曲線。由于環(huán)境溫度、濕度對其特性有影響，所以便用時，通常需要加溫度補(bǔ)償。

2．ZnO(氧化鋅)系氣敏元件ZnO系氣敏元件對還原性氣體有較高的靈敏度。它的工作溫度比SnO2系氣敏元件約高100℃左右，因此不及SnO2系元件應(yīng)用普遍。同樣如此，要提高ZnO系元件對氣體的選擇性，也需要添加Pt和Pd等添加劑。例如．在ZnO中添加Pd，則對H2和CO呈現(xiàn)出較高的靈敏度；而對丁烷(C4H10)、丙烷(C4H8)、乙烷(C4H6)等烷烴類氣體則靈敏度很低，如下圖(a)所示。如果在ZnO中添加Pt，則對烷烴類氣體有很高的靈敏度，而且含碳量越多、靈敏度越高，而對H2和CO氣體則靈敏度很低，如下圖(b)所示。三、氣體傳感器的應(yīng)用

氣敏傳感器應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報警，如可制成液化石油氣、天燃?xì)?、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報警器。也可用于對大氣污染進(jìn)行監(jiān)測以及在醫(yī)療上用于對O2、CO2等氣體的測量。生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。

(1)、電源電路