11气敏传感器及其应用

发布于:2021-06-20 13:41:07

第11章 气敏传感器及其应用

第11章 气敏传感器及其应用
气体传感器:将被测气体的类别、浓度和成分转换为与 其成一定关系的电信号的装置或器件,用来提供有关待 测气体的存在及其浓度大小的信息。

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第11章 气敏传感器及其应用

11.1 热导式气体传感器

?热线式气体传感器
R2

R3

R1、R2可用不带催化剂的白金 线圈制作,也可用热敏电阻。 R2内封已知的比较气体,Rl与 外界相通,当被测气体与其相 接触时,由于热导率相异,R1 的温度变化,Rl的阻值也发生 相应的变化,电桥失去*衡, 电桥输出信号的大小与被测气 体的种类或浓度有确定的关系。

R1
待测气体

R4

典型的热线热导率式 气敏传感器及其测量 电路

这种传感器多用于油船或液态天然气运输船。
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?热敏电阻气体传感器 热敏电阻作电桥的两个臂组成 测量电桥,如图所示。当热敏 电阻通以10mA的电流加热到 150~200℃时,R1一旦接触到 甲烷等可燃性气体,由于热导 率不同而产生温度变化,从而 产生电阻值变化使电桥失去* 衡。电桥输出信号的大小反映 被测气体的种类或浓度。
R2 R3

R1
待测气体

R4

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11.2

接触燃烧式气敏传感器

接触燃烧式气敏传感器结构与测量电路原理如图

铂金等金属线圈埋设在氧化催化剂中便构成接触燃烧式气敏 传感器
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一般在金属线圈中通以电流,使之保持在300~500℃的高温状 态,当可燃性气体与传感器表面接触,燃烧热进一步使金属 丝温度升高,从而电阻值增大。

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测量电路如图 (b) 所示,Rl-气敏元件,R2-温度补偿元件,R3、 R4均为铂金电阻丝。R1-R4组成惠斯通电桥. ?不存在可燃性气体:电桥处于*衡状态; ?存在可燃性气体:R1电阻值增量ΔR,电桥失去*衡,输出与 可燃性气体的种类或浓度成比例的电信号。 图 (c) 是这种气敏传感器的几种典型特性曲线。 优点:气体选择性好,线性好,受温度、湿度等参数影响小, 响应快。 缺点:对低浓度可燃性气体灵敏度低,敏感元件受催化剂侵害 后其特性锐减,金属丝易断。
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11.3 半导体气体传感器 半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接 触时, 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 ?按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导 体表面或深入到半导体内部,可分为表面控制型和体控 制型。 ?按照半导体变化的物理特性,又可分为电阻型和非 电阻型

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半导体气敏器件的分类

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一、 电阻型半导体气敏器件
1.表面电阻控制型气敏器件 利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化 特性制成的一类传感器。多数是以可燃性气体为检测 对象,但如果吸附能力很强,即使是非可燃性气体也能作 为检测对象。

特点:灵敏度高、响应速度比一般传感器快、实用价值
大等优点。

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工作原理:主要是靠表面电导率变化的信息来检验被接 触气体分子。因此,要求做这种器件的半导体材料的体 内电导率一定要小,这样才能提高气敏器件的灵敏度。

引线 零位 引线 电极

催化介层 矾-钼-三氧化二铝 灯丝 绝缘管 (d )

表面电阻控制型气体传感器的结构?
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(a)烧结型;(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型

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气敏器件的阻值R与空气中被测气体的浓度C成对
数关系变化:

lg R ? m lg C ? n

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氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系

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2.体电阻控制型气敏器件
对热敏型气敏器件而言,在600~900°C下,在半导体表面吸 附可燃性气体时,由于这类器件的工作温度比较高,被吸附 气体燃烧使器件的温度进一步升高, 半导体的体电阻发生 变化。

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目前常使用的ν-Fe2O3气敏器件,其结构如图示。
当它与气体接触时,随着气体浓度增加形 成Fe+2离子,而变成为Fe3O4,使器件的体 电阻下降。

? ? Fe2O3 ? Fe3O4

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Fe2O3类气敏传感器也要用加热措施,通常在元件外部由电热 丝烘烤。接触还原性气体后电阻值下降。典型三氧化二铁气敏 特性如图所示。图中表明:它对异丁烷和丙烷很灵敏,适合探测液 化石油气。

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Fe2O3气敏特性

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二、非电阻控制型半导体气敏器件(了解) MOS二极管气敏器件:利用MOS二极管的电容-电压关系(C-V

特性)来检测气体的敏感器件。图表示这种气敏器件的结构。

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半导体气敏元件的气敏选择性
由于各种还原性气体的最佳氧化温度不同,可以通过改变氧化 物传感器的工作温度来提高其对某种气体的选择性。例如在催 化剂Pd的作用下,CO的氧化温度要比一般碳氢化合物低得多, 因此,在低温条件下使用可提高对CO气体的选择性; 通过使用某种物理或化学的过滤膜,使单一的待检测气体能通 过该膜到达氧化物半导体表面,而拒绝其它气体通过,从而达 到选择性检测气体的目的。如石墨过滤膜,涂在厚膜氧化物传 感器表面可以消除氧化性气体(如NOx)对传感器信号的影响。

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?半导体气敏传感器测试电路 半导体气敏器件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间短、 使用寿命长、成本低,而得到了广泛的应用。目前,应用 最广的是烧结型气敏器件,主要是SnO2、ZnO、γ―Fe2O3 等半导体气敏器件。*年来薄膜型和厚膜型气敏器件也逐 渐开始实用化。上述气敏器件主要用于检测可燃性气体、 易燃或可燃性液体蒸汽。

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气敏器件对各种不同气体的灵敏度特性可以用电路加以 测量,烧结型SnO2气敏器件基本测试电路如图所示
气敏器件

直流电压 0-10V

直流电压

0-20V

采用直流电压的测 试方法:0~10V直 流电源为半导体气 敏器件的加热器电 源,0~20V直流电 源则提供测量回路 电压Uc。RL为负 载电阻兼作电压取 样电阻

U RL
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Uc ? I c Rc ? RL Rs ? RL

Rs为气敏器件电阻

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五、 半导体气体传感器的应用
半导体气敏器件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间 短、使用寿命长、成本低,而得到了广泛的应用。目前,应用 最广的是烧结型气敏器件,主要是SnO2、ZnO、ν―Fe2O3等 半导体气敏器件。*年来薄膜型和厚膜型气敏器件也逐渐 开始实用化。上述气敏器件主要用于检测可燃性气体、易 燃或可燃性气体。

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1.廉价家用气体报警器 气体报警器可根据使用气体种类,安放于易检测气体泄漏的

地方,这样就可以随时监测气体是否泄露,一旦泄漏气
体达到危险的浓度,便自动发出报警信号。
B 3.8V 120mA

R

360KΩ

气敏传感器 ~ 220 V 110V 蜂鸣器 4KΩ >1.5W 氖管 1KΩ BZ

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2.家用煤气(CO)安全报警电路
图11-19是家用煤气(CO)安全报警电路,该电路由两部分 组成。一部分是煤气报警器,在煤气浓度达到危险界限前发出警 报。另一部分是开放式负离子发生器,其作用是自动产生空气负 离子,使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧 (O3)反应,生成对人体无害的二氧化碳。

一氧化碳传感器

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煤气报警电路包括电源电路、气敏探测电路、电子开关电路和 声光报警电路。开放式空气负离子发生器电路由R10~R13、 C5~C7、V5~V7、3CTS3及B2等组成。这种负离子发生器,由 于元件少,结构简单,通常无须特别调试即能正常工作。减小R12 的阻值,可使负离子浓度增加。

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