半导体气敏元件的应用特性.doc

半导体气敏元件的应用特性灵敏度特性气敏元件的灵敏度特性,是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能,其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即器件电阻与检测气体浓度大都具有如下关系: log Rs = m log C + n图1图1 式中,m,n为常数,m代表器件相对于气体浓度变化的敏感性, n与检测气体灵敏度有关,随元件材料、气体种类而异,并随测试条件而有所不同( 图1. 1-24只元件在Vc=10V VH=5V 20度 65%RH 时对甲烷（CH4）的反应数据。)从图1可以看出,器件在低浓度下输出曲线陡,而高浓度下,曲线较平缓,并趋于饱和.这一特点,非常适宜检测低浓度微量气体. 由于制造原理及生产工艺的影响, 半导体气敏元件具有较大的离散性，表现为元件在洁净空气中的电阻R0分布在一较大的范围内， Ro相同的器件,其灵敏度S=Rs/Ro却不一定相同，如图2。由此导致同一型号的传感器互换性差，这是一个普遍存在的问题, 供货时一般通过分档筛选使Ro、S处于一较小的范围内，但仍有一定的的离散性，所以应用时仍需逐只进行标定校准。图2图3温湿度特性：半导体气敏元件敏感原理是基于敏感体表面的吸附反应,所以易受环境温度、湿度影响,如图2，由于气敏器件与环境温湿度有一定依赖关系,所以在需要较高精度和可靠性的应用中,在电路中要加入温湿度补偿.湿度传感器的昂贵价格限制了湿度补偿的采用，一般仅作温度补偿即可取得较好效果。图3给出了硬件进行温度补偿的参考电路。也可采用MCU进行数据查表补偿。加热特性:半导体气敏元件需要在加热状态下工作,加热温度影响器件的性能,加热功率变化,元件电阻及灵敏度也相应的有所变化，所以传感器的工作电源应使用稳压电源。初期恢复特性:气敏元件在不通电状态下存放后,再通电时并不能立即投入正常工作,其电阻值会有一段急剧变化过程,而后趋于稳定.其如图4。元件由通电至趋于稳定的时间称为初期恢复时间。初期恢复时间与元件种类、存放时间和存放环境状态有关；一般不通电存放时间长,初期恢复时间亦长，但一般都在5分钟以内。 由于这种影响使得气体检漏仪或报警器在通电初期即使没有检测气体时,也会触发报警,即所谓通电初期误动作.为此,在设计报警器电路时,可采取适当措施,设法消除这种误动作现象或避免这种影响.如设置延时取样电路. 半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达3 年以上。如图4所示 长期工作稳定性: 半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达3 年以上。如图4所示 标定气样的配制及校准试验装置由于气敏元件性能易受到温湿度、干扰气体等外界条件的影响，应用产品在测试标定时须在专用的试验箱内提供相对标准的气氛条件（洁净空气、标定气样），以提高测量的准确性、可靠性。试验箱 试验箱容积视测试样机体积、数量而定，一般一只气敏元件所占容积要大于1升。 试验箱材料宜选用与气体不发生反应的金属或玻璃，在通常要求下，有机玻璃也可。试验箱形状可做成圆形或方形，箱内应有一搅拌风扇以加速气体混合均匀，但应注意气流不可直吹气敏元件，以免影响元件工作温度。对于测量液体蒸汽的项目，试验箱内还应设液体蒸发器。为了排除试验箱内残留气体，还应设有排气扇，其排气能力要求每分钟排气量大于试验箱容积的10倍。洁净空气一般要求不高的测试，可以取清洁的室内外空气作为“洁净空气”；对于要求高的精密测量，可采用纯净的氮气和氧气混合模拟清净空气。此时，只要再对混合气的温度、湿度加以控制，即可作为测试用的洁净空气。标定气样 一般情形下，由试验箱容积和注入气箱的标准气体体积，可直接计算出气体浓度，计算方法如下：测量气体时：v=Vc10-6（273+TR）/（273+TB） 测量液体蒸汽时：v=VcM（273+TR）10-9/22.4dP(273+TB)式中，v为需注入标准气体或液体体积（ml），V为试验箱容积（ml），c为欲配制气体或液体蒸汽浓度（ppm），M为液体分子量（g）， d为液体比重（g/cm3），p为液体纯度（质量百分比），TR为室温（）， TB为试验箱内温度（）。在精确测量时，还应采用红外浓度计或光干涉式浓度计测定气体浓度灵敏度调整步骤 将气敏元件应用产品在额定工作条件下通电老化一段时间(不少于1小时，最好24小时以上)以使元件阻值充分稳定. 将应用产品放入试验箱，按体积要求用取样器（可用医用注射器）注入要测试的气体或液体于试验箱内形成标定气样 调节可变电阻等电路预设机构使应用产品刚好触发（如报警）。 将测试气体用排气扇从试验箱内排出. 重复2-4，确认应用产品刚好触发。 注意事项 最好老化48小时以后再进行气体灵敏度的标定 灵敏度标定须在无干扰气体的环境中进行. 气敏元件在不通电状态下长时间置于高湿环境中,将需要较长时间才能使其稳定. 气敏元件有良好的抗震能力,但也不要让其受到过分的震动. 不要让管脚受过大的外力,以免其变形、扭曲. 不要向防爆网罩上施加外力以免其变形. 如果需要精确的测量,如在工业应用等方面,则需定期校准(每年至少一次). 不要将元件拆分或改变它的任一部分，在金