氣體傳感器-講解概要課件

氣敏傳感器

氣敏傳感器113.1概述

13.1概述213.1.11.產(chǎn)生原因:為了確保安全，需對各種可燃性氣體、有毒性氣體進行檢測。目前實用氣體方法很多，其中接觸燃燒法和用半導體氣敏傳感器檢測法具有使用方便、費用低等特點。2.發(fā)展過程:半導體氣敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元件。它是利用加熱條件下SnO2薄膜電阻隨接觸的可燃性氣體濃度增加而下降，實現(xiàn)對可燃性氣體檢測。繼而又發(fā)現(xiàn)在SnO2燒結(jié)體中添加Pt或pd等貴重金屬可提高靈敏度。1968年誕生了商品半導體氣敏元件，其后，其它材料的半導體氣敏元件也相繼投放市場。3.常用的氣敏元件:SnO2半導體氣敏元件，目前以TGS型和QM-N5型氣敏元件為主.

13.1.11.產(chǎn)生原因:313.1.2SnO2半導體氣敏元件特點（1）氣敏元件阻值隨氣體濃度變化關(guān)系為指數(shù)變化關(guān)系。因此，非常適用于微量低濃度氣體的檢測。

（2）SnO2材料的物理、化學穩(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。

（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，機械性能良好。

（5）對氣體檢測不需要復雜的處理設備?？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。

13.1.2SnO2半導體氣敏元件特點（1）氣敏元件阻值隨413.1.3SnO2的基本性質(zhì)

1.SnO2物理性質(zhì):SnO2是一種白色粉末，密度為6.16-7.02g/cm3，熔點為1127℃，在更主溫度下才能分解，沸點高于1900℃的金屬氣化物。SnO2不溶于水，能溶于熱強酸和堿。

2.SnO2晶體結(jié)構(gòu):是金紅石型結(jié)構(gòu)，具有正方晶系對稱，其晶胞為體心正交平行六面體，體心和頂角由錫離子占據(jù)。其晶胞結(jié)構(gòu)如圖10-16所示，晶格常數(shù)為a=0.475nm，c=0.319nm。

13.1.3SnO2的基本性質(zhì)1.SnO2物理性質(zhì):513.1.4SnO2的氣敏效應1.經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，多晶SnO2對多種氣體具有氣敏特性。2.多孔型SnO2半導體材料，其電導率隨接觸的氣體種類而變化。一般吸附還原性氣體時電導率升高。而吸附氧化性氣體時其電導率降低。這種阻值變化情況如圖10-17所示。

13.1.4SnO2的氣敏效應1.經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，多晶SnO2613.1.5影響

SnO2氣敏效應的主要因素1）SnO2結(jié)構(gòu)組成對氣敏效應的影響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，氣敏效應明顯。（2）SnO2中添加物對氣敏效應的影響實驗證明，SnO2中的添加物質(zhì)，對其氣敏效應有明顯影響。表10-2列出了具有不同添加物質(zhì)的SnO2氣敏元件的氣敏效應。

（3）燒結(jié)溫度和加熱溫度對氣敏效應的影響實驗證明，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行選擇檢測。

13.1.5影響SnO2氣敏效應的主要因素1）SnO2結(jié)構(gòu)7

13.1.6表10-2添加物對SnO2氣敏效應的影響

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

PdCI2SbCI3

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，丙酮碳氫系還原性氣體200～300

813.1.6SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)SnO2氣敏元件分類:主要有三種類型：燒結(jié)型、薄膜型厚薄型。其中燒結(jié)型氣敏元件是目前工藝最成熟，應用最廣泛的元件，這里僅對其結(jié)構(gòu)加以介紹。

13.1.6SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)SnO2氣敏元件分類:913.1.7燒結(jié)型SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)燒結(jié)型SnO2氣敏元件是以多孔陶瓷SnO2為基材（料粒度在1μm以下），添加不同物質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶方法，進行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入測量電極和加熱線，制成管芯，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上,外加二層不銹鋼網(wǎng)而制成元件。主要用于檢測還原性氣體、可燃性氣體和液體蒸氣。工作時需加熱到300℃左右.按其加熱方式又可分為直熱式和旁熱式兩種。

13.1.7燒結(jié)型SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)燒結(jié)型SnO2氣敏元件1013.1.7（1）直熱式SnO2氣敏元件直熱式元件又稱內(nèi)熱式，這種元件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-18所示。組成:元件管芯由三部分組成：SnO2基體材料、加熱絲、測量絲，它們都埋在SnO2基材內(nèi)。工作時加熱絲通電加熱，測量絲用于測量元件的阻值。

13.1.7（1）直熱式SnO2氣敏元件直熱式元件又稱內(nèi)熱式1113.1.8（1）直熱式SnO2氣敏元件特點1.優(yōu)點：制作工藝簡單、成本低、功耗小、可以在高電壓下使用、可制成價格低廉的可燃氣體泄漏報警器。國內(nèi)QN型和MQ型氣敏元件.

2.缺點:

熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測量回路與加熱回路間沒有隔離，互相影響；加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下會產(chǎn)生漲縮，易造成接觸不良。13.1.8（1）直熱式SnO2氣敏元件特點1.優(yōu)點：1213.1.9（2）旁熱式SnO2敏元件這種元件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-19所示。其管芯增加了一個陶瓷管，在管內(nèi)放進高阻加熱絲，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂SnO2材料。

13.1.9（2）旁熱式SnO2敏元件這種元件的結(jié)構(gòu)示意圖如1313.1.9（2）旁熱式SnO2敏元件特點這種結(jié)構(gòu)克服了直熱式的缺點，其測量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏元件接觸，避免了回路間的互相影響；元件熱容易大，降低了環(huán)境氣氛對元件加熱溫度的影響，并保持了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前國產(chǎn)QM-N5型氣敏元件，日本弗加羅TGS#812、813型氣敏元件采用這種結(jié)構(gòu)。

13.1.9（2）旁熱式SnO2敏元件特點這種結(jié)構(gòu)克服了直熱1413.1.10SnO2氣敏元件的工作原理A

燒結(jié)型SnO2氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件。制作元件的氣敏材料多孔質(zhì)SnO2燒結(jié)體。在晶體中如果氧不足，將出現(xiàn)兩種情況：一是產(chǎn)生氧空位，另一種是產(chǎn)生錫間隙原子。但無論哪種情況，在禁帶靠近導帶的地方形成施主能級。這些施主能級上的電子，很容易激發(fā)到導帶而參與導電。

13.1.10SnO2氣敏元件的工作原理A燒結(jié)型SnO1513.1.10SnO2氣敏元件的工作原理B燒結(jié)型SnO2氣敏元件的氣敏部分，就是這種N型SnO2材料晶粒形成的多孔質(zhì)燒結(jié)體，其結(jié)合模型可用圖10-20表示。13.1.10SnO2氣敏元件的工作原理B燒結(jié)型SnO21613.1.10SnO2氣敏元件的工作原理C這種結(jié)構(gòu)的半導體，其晶粒接觸界面存在電子勢壘，其接觸部（或頸部）電阻對元件電阻起支配作用。顯然，這一電阻主要取決于勢壘高度和接觸部形狀，亦即主要受表面狀態(tài)和晶粒直徑大小等的影響。13.1.10SnO2氣敏元件的工作原理C這種結(jié)構(gòu)的半導1713.1.10SnO2氣敏元件的工作原理C氧吸附在半導體表面時，吸附的氧分子從半導體表面獲得電子，形成受主型表面能級，從而使表面帶負電1/2O2（氣）+ne→On-吸附（10-21）

式中On-吸附——表示吸附氧；On-吸附;e——電子電荷；;n——個數(shù)。

由于氧吸附力很強，因此，SnO2氣敏元件在空氣中放置時，其表面上總是會有吸附氧的，其吸附狀態(tài)均是負電荷吸附狀態(tài)。這對N型半導體來說，形成電子勢壘，使器件阻值升高。

當SnO2氣敏元件接觸還原性氣體如H2、CO等時，被測氣體則同吸附氧發(fā)生反應，如圖10-20c所示，減少了On-吸附密度，降低了勢壘高度，從而降低了器件阻值。

在添加增感劑（如pd）的情況下，它可以起催化作用從而促進上述反應，提高了器件的靈敏度。增感劑作用如圖10-20d所示。

13.1.10SnO2氣敏元件的工作原理C氧吸附在半導體18氣體傳感器-講解概要課件1913.2.1SnO2主要性能參數(shù)A

標志元件性能的主要能數(shù)有：1、電阻R0和Rs

固有電阻R0表示氣敏元件在正?？諝鈼l件下（或潔凈條件下）的阻值，又稱正常電阻。

工作電阻Rs代表氣敏元件在一定濃度的檢測氣體中的阻值。

2、靈敏度K

氣敏元件的靈敏度通常用氣敏元件在一定濃度的檢測氣體中的電阻與正?？諝庵械碾娮柚葋肀硎眷`敏度K。

3、響應時間trcs

把從元件接觸一定濃度的被測氣體開始到其阻值達到該濃度下穩(wěn)定阻值的時間，定義為響應時間，用trcs表示。

4、恢復時間trcc

把氣敏元件從脫離檢測氣體開始，到期阻值恢得到正?？諝庵凶柚档臅r間，定義為恢得時間，用trcc表示。

實際上，常用氣敏元件從接觸或脫離檢測氣體開始，到其阻值或阻值增量達到某一確定值的時間，例如，氣敏元件阻值增量由零變化到穩(wěn)定增量的63%所需的時間，定義為響應時間和恢復時間。

13.2.1SnO2主要性能參數(shù)A標志元件性能的主要2013.2.1SnO2主要性能參數(shù)B5、加熱電阻RH和加熱功率PH

為氣敏元件提供工作溫度的加熱器電阻稱為加熱電阻，用RH表示。氣敏元件正常工作所需要的功率稱為加熱功率，用PH表示。

6、潔凈空氣電壓U0

在潔凈空氣中，氣敏元件負載電阻上的電壓，定義為潔凈空所中電壓，用U0表示。U0與R0的關(guān)系為

式中UC——測試回路電壓；

RL——負載電阻。

13.2.1SnO2主要性能參數(shù)B5、加熱電阻RH和2113.2.1SnO2主要性能參數(shù)C7、標定氣體中電壓Ucs

SnO2氣敏元件在不同氣體、不同濃度條件下，其阻值將相應發(fā)生變化。因此，為了給出元件的特性，一般總是在一定濃度的氣體中進行測度標定。把這種氣體稱標定氣體，例如，QM-N5氣敏元件用0.1%丁烷（空氣稀釋）為標定氣體，TGS813氣敏元件用0.1%甲烷（空氣稀釋）為標定氣體等等。在標定氣體中，氣敏元件的負載電阻上電壓的穩(wěn)定值稱為標定氣體中電壓，用Ucs表示。顯然，Ucs與元件工作電阻Rs相關(guān)

8、電壓比Ku電壓比是表示氣敏元件對氣體敏感特性，與氣敏元件靈敏度相關(guān)。它的物理意義可按下式表示。（10-26）式中，Uc1和UC2——氣敏元件在接觸濃度為c1和c2的標定氣體時負載電阻上電壓的穩(wěn)定值。

13.2.1SnO2主要性能參數(shù)C7、標定氣體中電壓U2213.2.1SnO2主要性能參數(shù)D9、回路電壓Uc

測試SnO2氣敏元件的測試回路所加電壓稱為回路電壓，用Uc表示。這個電壓對測試和使用氣敏器件很有實用價值。根據(jù)此電壓值，可以選負載電阻，并對氣敏元件輸出的信號進行調(diào)整。對旁熱式SnO2氣敏元件，一般取Uc=10V。

13.2.1SnO2主要性能參數(shù)D9、回路電壓Uc2313.2.2基本測試電路

燒結(jié)型SnO2氣敏元件基本測試電路如圖10-21所示。圖10-21a為采用直流電壓測試旁熱式氣敏元件電路，圖10-21b、c采用交流電壓測試旁熱式氣敏元件電路。無論哪種電路，都必須包括兩部分，即氣敏元件的加熱回路和測試回路?，F(xiàn)以圖10-21a為例，說明其測試原理。

圖10-21a中與元件加熱器組成加熱回路，直流穩(wěn)壓電源供給測試回路電壓UH，0-20V直流穩(wěn)壓電源與氣敏元件及負載電阻組成測試回路，負載電阻RL兼作取樣電阻。從測量回路可得到

由式（10-28）可見，URL與氣敏元件電阻Rs具有對應關(guān)系，當RS降低時，URL增高，反之亦然。因此，測量RL上電壓降，即可測得氣敏器件電阻RS。

圖10-21b、c測試原理與圖10-19a相同、用直流法還是用交流法測試，不影響測試結(jié)果，可根據(jù)實際情況選用。

式中Ic——回路電流；

URL——負載電阻上的壓降

（10-28）

13.2.2基本測試電路燒結(jié)型SnO2氣敏元件基本測試電路24氣體傳感器-講解概要課件2513.2.3氣敏傳感器的應用

1．半導體氣敏元件的應用分類

按其用途可分為以下幾種類型：

（1）檢漏儀或稱探測器它是利用氣敏元件的氣敏特性，將其作為電路中氣-電轉(zhuǎn)換元件，配以相應的電路、指示儀表或聲光顯示部分而組成的氣體探測儀器。這類儀器通常都要求有高靈敏度。

（2）報警器這類儀器是對泄漏氣體達到危險限值時自動進行報警的儀器。

（3）自動控制儀器它是利用氣敏元件的氣敏特性實現(xiàn)電氣設備自動控制儀器。如電子灶烹調(diào)自動控制，換氣扇自動換氣控制等。

（4）測試儀器它是利用氣敏元件對不同氣體濃度關(guān)系來測量、確定氣體種類和濃度。這種應用氣敏元件的性能要求較高，測試部分也要配以高精度測量電路。

13.2.3氣敏傳感器的應用1．半導體氣敏元件的應用分類2613.2.4可燃性氣體探測和檢漏幾種實用電路A（1）袖珍式氣體檢漏儀利用半導體氣敏元件可以用電池供電和具有電路簡單的特點，研制出袖珍式氣體檢漏儀，其特點是：體積小、靈敏度高、使用方便。

圖10-30是采用QM-N5型氣敏元件組成的簡易袖珍式氣體檢漏儀原理圖，其電路簡單，集成化，僅用了一塊四與非門集成電路，可用鎘鎳電池供電，用壓電蜂鳴器（HA）和發(fā)光二極管（VL）進行聲光報警。氣敏元件安裝在探測桿端部探測時，它可從機內(nèi)拉出。

對檢漏現(xiàn)場有防爆要求時，必須用防爆氣體檢漏儀進行檢漏。與普通檢漏儀不同是的，這種檢漏儀儀器殼體結(jié)構(gòu)及有關(guān)部件要根據(jù)探測氣體和防爆等級要求設計。采用QM-N5型氣敏元件作氣-轉(zhuǎn)換元件，用電子吸氣泵進行氣體取樣，用指針式儀表指示濃度，由蜂鳴器發(fā)出報警聲響。

13.2.4可燃性氣體探測和檢漏幾種實用電路A（1）袖珍式27氣體傳感器-講解概要課件2813.2.4可燃性氣體探測和檢漏幾種實用電路（2）家用氣體報警器圖10-31是一種最簡單的家用氣體報警器電路。氣-電轉(zhuǎn)換器件采用測試回路高電壓的直熱式氣敏元件TGS109。當室內(nèi)可燃性氣體增加時，由于氣敏元件接觸到可燃性性氣體而其阻值降低，這樣流經(jīng)回路的電流便增加，可直接驅(qū)動蜂鳴器報警。

設計報警時，應合理選擇開始報警濃度，選低了，靈敏度高，容易產(chǎn)生誤報；選高了，又容易造成漏報，起不到報警效果

13.2.4可燃性氣體探測和檢漏幾種實用電路（2）家用氣體報2913.2.4可燃性氣體探測和檢漏幾種實用電路圖10-32是用旁熱式氣敏元件設計的家用氣體報警器電路。該報警器采用QM-N5型氣敏元件作氣-電轉(zhuǎn)換器件，靈敏度高、響應速度快。其工作原理是：報警器由交流220V電壓供電。經(jīng)C1//R1降壓后輸入給橋式整流電路，整流后電壓再經(jīng)C3濾波，VS5穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，輸出6V直流電壓。一方面供給QM-N5型氣敏元件加熱絲加熱，另一方面供給VT1、VT2組成的開關(guān)電路和VT3~VT6組成的報警聲響電路。調(diào)節(jié)R4可使QM-N5型氣敏元件加熱電壓為其最佳值；調(diào)節(jié)RP1，可調(diào)整報警器報警點。當報警器的氣敏元件接觸可燃性氣體達到報警點濃度時，QM-N5型氣敏元件的阻值降低。QM-N5與R5、RP1組成報警信號取樣電路，則RP1兩端電壓升高，使VT兩端電壓升高，使VT1由截止轉(zhuǎn)為導通狀態(tài)，R8兩端電壓升高又使VT2導通，經(jīng)R7輸出一組直流電壓，給報警聲響電路，發(fā)出報警聲響。

13.2.4可燃性氣體探測和檢漏幾種實用電路圖10-32是用30氣體傳感器-講解概要課件31第三節(jié)13-3濕敏傳感器

第三節(jié)13-3濕敏傳感器3213.3.1濕度的表示方法和單位

正確地測知濕度非常困難

，長期以來人們只是從不同側(cè)面，采用多種二次濕度參數(shù)來表征濕度的大小。

1．水蒸氣分壓

水蒸氣分壓是將含濕空氣看作理想氣體混合物時水蒸氣壓數(shù)值。

水蒸氣分壓是一個現(xiàn)在還不能直接測出的量。但因換算相對濕度、飽和差等濕度參數(shù)時又常常用到它，可由“濕度與飽和水蒸氣壓”查出。

2．絕對濕度（AH）

絕對濕度表示單位體積內(nèi)含水蒸質(zhì)量。絕對濕度單位一般采用g/m3。

溫度t℃時，絕對濕度AH與該種含濕空氣體所含水蒸氣分壓e=22.4x101.3x(273+t)/18.0x273AH

…（10-29）水蒸氣分壓的單位是pa（1標準大氣=760mmHg=1.01325×105pa）

式（10-29）雖是定義式，但因其分母與分子量綱不同，實用上相當不便，故一般用相對濕度、混合比等參數(shù)表示濕度。

13.3.1濕度的表示方法和單位正確地測知濕度非常困333．混合比

除去某氣體中的水蒸氣，形成1kg干燥氣體時，所清除的水蒸氣量（或此量與1kg干燥氣體的比）稱為混合比。單位是kg、g、mg、或kg\kg\、g\kg、mg\kg。

4．比濕

1kg含濕氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量稱為比濕。單位一般用kg、g、mg表示，有時也用kg\kg、g\kg、mg\kg表示。

5．飽和度

1kg干燥氣體中所含水蒸氣量懷同溫度與1kg氣體所能含的飽和不蒸氣量之比值叫作飽和度，一般用百分數(shù)表示。6．飽和差

氣體的水蒸氣分壓與同溫度下飽和水蒸氣壓的差，或者絕對濕度與同溫度時飽和狀態(tài)的絕對濕度之差稱為飽和差。

3．混合比347．相對濕度

氣體的水蒸氣分壓與同溫度下飽和水蒸氣壓的比值，或者其絕對濕度與同溫度時飽和狀態(tài)的絕對濕度的比值稱為濕度。相對濕度一般用百分數(shù)表示，記作“%RH”。

8．露點

保持壓力一定而降低待測氣體溫度至某一數(shù)值時，待測氣體中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)開始結(jié)露或結(jié)霜，此時的溫度稱為這種氣體的露點或霜點（℃）

7．相對濕度3513.3.2、燒結(jié)型半導體陶瓷濕敏元件，特點：使用壽命長、可在惡劣的條件下工作、可檢測到1%RH的低濕狀態(tài)、響應時間短、測量精度高、使用溫度范圍寬（低于150℃）以及濕溫滯環(huán)差較小等優(yōu)點，所以它在當前濕敏元件生產(chǎn)和應用中，占有很重要的地位。

13.3.2、燒結(jié)型半導體陶瓷濕敏元件，特點：3613.3.3工作原理

燒結(jié)型半導體陶瓷材料，一般為多孔結(jié)構(gòu)的多晶體，而且在其形成過程中伴隨有半導化過程。半導體陶瓷多系金屬化物材料，其半導體過程常是通過調(diào)整配方，進行摻雜，或通過控制燒結(jié)氣氛有意造成氧元素過剩或不足而得以實現(xiàn)的。半導化過程的結(jié)果，使晶粒中產(chǎn)生了大量的載流子——電子或空穴。謗樣一方面使晶粒體內(nèi)的電阻率降低，另一方面又使晶粒之間的界面處形成界面勢壘，致使晶粒界面處的載流子耗盡而出現(xiàn)耗盡層。因此，晶粒界面的電阻率將遠大于晶粒體內(nèi)的電阻率，而成為半導體陶瓷材料在通電狀態(tài)下電阻的主要部分，濕敏半導體陶瓷材料正是由于水分子在其表面和晶粒界面間的