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电阻式半导体气敏传感器的基本性能分析 09电本 120091004106 成绩： 摘要：利用理论分析与参阅相关技术手册，了解电阻式半导体气敏传感器的结构，基本原理，推导气敏传感器的特性参数：电阻值，灵敏度，漂移等。能够在充分研究理论知识之后，学会简单的应用，设计电路，利用温度补偿降低其对传感器稳定性的影响。 关键词：电阻半导体气敏传感器 基本原理 特性参数 温度补偿 The basic performance analysis of Resistance-type semiconductor gas sensor AbstractAccording to the theoretical analysis, refer to the relevant technical manual to understand the structure of Resistance-type semiconductor gas sensor and its basic principles. Derive the characteristic parameters of gas sensors,like sensitivity, linearity, drift, selection characteristics.Making full use of the theoretical knowledge , learn simple applications to design a circuit for using the temperature compensation to reduce its impact on the stability of the sensor.Keywords:Resistance-type semiconductorbasic principles characteristic parameters the temperature compensation 引言 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就获得与待测气体有关的信息，从而可以进行检测。主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等重要部门的易燃、 易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制1。半导体气敏传感器的特性受多种条件影响。本文在探讨传感器的原理与特性参数之后，主要针对温漂的现象提出简单的解决方法。1、半导体气敏传感器的原理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的2。 按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来 图1-1为常见类型的传感器实物图。半导体气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。电阻型半导体气敏传感器从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类，如图1-1所示。 图1-1气敏半导体传感器的器件结构 （a）烧结型气敏元件；（b）薄膜型器件；（c）厚膜元件；（d）多层结构元件 3、 半导体气敏传感器的特性 3.1气敏传感器的电阻值 气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为A78。一般其固有电阻值在(103105)范围9。 气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于2010。 气敏半导体时在接触不同气体时，工作于不同温度下产生的器件阻发生值变化。3.2气敏元件的灵敏度 气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标11。它表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种： （a） 电阻比灵敏度K: K=Ra/Rg Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值 （b）气体分离度 =Rc1/Rc2 RC1气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值： R2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。（c）输出电压比灵敏度KV Kv=Va/Vg Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出.4、 气敏性能测试 半导体气体传感器的检测可采用静态测试法两种。本实验采用静态法，采用电压测试图4-1 测试原理示意图法，基本测试原理,如图4-1所示。系统提供气敏元件加热电源Vh，回路电源Vc，通过测试与气敏元件串联的负载电阻RL上的电压Vout的变化可以计算气敏元件的输出电压，进而计算出气敏元件的电阻值。计算公式如下：Ra=(Vc/Va-1)RLRg=(Vc/Vg-1)RL针对n型半导体，定义元件的灵敏度取定义（a） 。A气体对B气体的选择性系数可按下式计算：R(A/B)=S(A)/S(B)= Rg (B)/ Rg (A)通过控制电阻丝两侧的加热电压，可获得不同的工作温度，得到不同的固有电阻和气体灵敏度，以测定不同工作状态下的电阻-温度特性（图4-2）和灵度温度特性（图4-3）1213。 图4-2不同气体下的温度-电阻曲线 图4-3 不同气体下的温度灵敏度曲线 由以上两图可以得出两个结论：随着温度的增高，气体的阻值减小；气敏传感器对气体的灵敏度随着温度的升高先增大后降低,在某一个温度处表现出最大值。 为减弱温度对气敏传感器的影响，针对温度补偿目的设计了电路。5.温度补偿电路利用集成运算放大器和Pt热电阻可以构成自动温度补偿电路,其原理见图4-1。图4-1中A 为集成运算放大器Rt 为Pt100热电阻,其阻值随温度的变化而变化。Vi 为某在线分析仪器的检测信号,这一信号也随温度的变化而变。 图5-1 假设在常温(T = 25 ,Rt = 109. 73) 下,输入信号Vi 为最大值Vimax = 414mV 固定不变,此时图5-1电路可看作是恒流源电路。在图5-1中,当T = 25C时同相输入端输入电压V1 和反相输入端电压V2的电位相等。V2 = V1 (3)如图2 中R1 及R2 的数据,同相输入端输入电压V1 : V1 =R/(R1 + R2)Vimax =10k/(43k+ 10k) 414mV = 78. 1mV V2 = 78. 1mV由图2 可知,V2 是由Rf 和Rt 构成的分压器给定的,在T = 25 时, V2 =Rt (25 )*V0 (4)/(Rf + Rt (25 )-由式可得输出电压V0: V0 =Rf + Rt (25 ) *V2 (5)/Rt (25 )-式中Rf = R3 + Rw ,代入式(5) 得 V0 =R3 + R + Rt (25 )/Rt (25 ) V2 -将V2 = 78. 1mV ,Rt = 109. 73 ,R3 = 1K ,代入式 , 并假设Rw 调定为Rw = 1. 5k ,得: V0 =1k+ 1. 5k+ 109. 73/109. 73 78. 1mV = 1. 86V 图5-1中电位器Rw 用来调节放大器的电压放大倍数,它与R3 及其铂热电阻Rt 构成电压负反馈电路,调节Rw 时,虽然Rw 阻值发生变化,但通过它的电流总是恒定不变的。这是因为随着Rw 的增大或减小。在输入电压不变的情况下,输入电压随之增大或减小,因而保持流过Rw 的电流不变。这恒流值由下式决定,当T = 25C 时: I =V/R-将V1 = 78. 1mV ,Rt = 109. 73 ,代入式得: I =78. 1mV/109. 73 = 0. 7mA 同理,在0 (Rt = 100) 时,和在100 (Rt =138. 5) 时, 设输入信号V1 分别为最大值Vi max(0 ) = 379mV 和Vi max (100 ) = 518mV ,并假设在常温下1.5KV2 ( 0 ) = V1 ( 0 ) =R2/R1 + R2Vimax ( 0 ) =10k/(43k+ 10)*379mV = 71. 5mVV2 (100 )= V1 (100 ) =R2/R1 + R2Vimax (100 ) =10k/(43k+ 10k) 518mV = 97. 7mVV0( 0 )=R3 + RW + Rt (0 )*V2 ( 0 )/Rt (0 ) =1k+ 1. 5k+ 100/100 71. 5mV = 1. 86VV0(100 ) =R3 + RW + Rt (100 )* V2 (100 )/Rt (1000 ) =(1k+ 1. 5k+ 138. 5)/138. 5 97. 7mV = 1. 86VI(0 ) =V1 (0 )/Rt (0 ) =71. 5mV/100 = 0. 7mAI(100 )=V1 (100 )/Rt (100 ) =97. 7mV/138. 5 = 0. 7mA 由上面计算结果可知, 虽然Vimax 从0 时的379mV 变化到100 时的518mV ,Rt 也从0 时的100变化到100 时的138. 5 ,但输出电压V0 总是恒定不变的。流过Rt 的电流也保持不变,实现了所要求的功能。 结论 本文对气敏传感器的初步研究，加深了半导体气敏传感器原理，结构以及特性的理解。同时，设计了电路，提出温度补偿法，学会了气敏传感器的简单应用。但是，并未对气敏传感器有本质的研究，未提出有效的对传感器响应特征进行修正的方法。所以，今后会沿着这个方向继续深入探讨研究。参考文献：1 孙良彦。半导体气敏元件的新进展。传感器技术。l99O年第2期2郁有文，常建，程继红.传感器原理与工程应用.西安;西安电子科技大学.2008.73刘湘军 ，谭湘倩 ，浣 石.金属氧化物气敏传感器.广州大学学报(自然科学版).2007.10.第6卷第5期4徐龙,周晓华,曹全喜.氧化物半导体的表面过程与气敏机理.传感器技术.1991年第6期5张强,管自生,电阻式半导体气体传感器.仪表技术与传感器.2006 No.66刘爱华。传感器原理与应用技术 .人民邮电出版社。2010.11.17 胡英,周晓华,魏红军. CuO2ZnO 异质结半导体陶瓷气敏机理的研究. 功能材料与器件学报,2000 ,6(4) :408 - 412.8于永芳，郑仲民.检测技术 .机械工业出版社.2003.02.019GBT156531995，金属氧化物半导体气敏元件测试方法【S】北京：中国标准出版社，199610贾建，李建平，等【J】仪表技术与传感器，2004，(3)：20-2311吴兴惠，王彩君. 传感器与信号处理J. 北京：电子工业出版社，1998.203-20612孙兰侠,季振国,杜娟,周强,陈琛,赵丽娜。二氧化锡薄膜气敏传感器对常见室内污染气体的电阻2温度特性及机理分析。传感技术学报。2005.3.18卷第一期13Nam S C , Paik C H , Cho W I , et al. Electrochemicalcharacterization of various tin - b