气体传感器介绍PPT课件.ppt

郑州炜盛电子科技有限公司气体传感器介绍 主讲 祁明锋 目录 炜盛概况传感器的概念及应用发展趋势企业发展 炜盛概况传感器的概念及应用炜盛产品企业发展 炜盛发展历程 2003年04月25日郑州炜盛电子科技有限公司注册成立 2003年05月13日直热式半导体酒精传感器研制成功 并获得国家实用新型专利 2005年01月13日催化燃烧式传感器研制成功 获得国家实用新型专利 2005年03月20日煤矿甲烷检测用载体催化元件通过河南科学技术厅新产品技术定型鉴定2005年06月01日6个载体催化元件顺利通过国家煤矿安全认证 2005年11月10日正式入住高新技术产业开发区自己的工业园区 2006年04月28日重新申请注册的商标注册成功 以崭新统一的Logo形象面对客户 2006年05月08日自营进出口权获得通过 2006年05月22日热线型气敏元件获得河南省科学技术成果奖 2006年05月31日煤矿甲烷检测用载体催化元件获得科学技术成果奖 2006年12月16日MQ 8气敏元件 抗中毒载体催化元件 电化学磷化氢传感器 电化学一氧化碳传感器 电化学硫化氢传感器通过由河南科学技术厅组织的产品技术定型鉴定2007年9月27日平面半导体传感器 MP 3 MP 4 MP135 MP135A 电化学酒精传感器 MEX C2H5OH 通过河南科学技术厅组织的产品技术定型鉴定2008年6月2日MH 4RNDIR红外气体传感器通过河南科学技术厅组织的产品技术定型鉴定 产品体系 气体传感器4大门类 45 80 国内市场占有率45 以上 产业链关系系统 完整 气体敏感元件 气体传感器及检测仪器仪表 资质荣誉 成果 河南省高新技术企业19项国家专利6个产品通过 MA 认证所有产品通过 ROHS 检验 市场占有率全国第一45 07年气体敏感元件国内市场占有率45 其它55 炜盛45 管理体系概述ISO9000 公司有健全的质量管理体系 管理基础工作扎实 管理绩效显著 通过ISO9001 2000质量体系认证 建有严格的三级质量保证体系 综上 产业化项目成功实施3大能力 雄厚的产业基础强大的研发能力出色的经营能力 技术力量及研发能力三大研发中心 省级企业技术中心 市级工程技术中心 直接从事研究开发 试验 生产控制 检验的技术人员27人 占公司员工总数的24 其中 研究员1人教授级高工1人高级工程师1人博士1人硕士2人 技术力量27人 24 交流合作国内知名专家 科研院校 生产保障朝气蓬勃 气体传感器生产线紧张有序 整齐洁净 炜盛概况传感器的概念及应用炜盛产品企业发展 1 什么是传感器 能够采集信息并把采集到的信息转化为人们更易识别的信号 如电号 声信号 光信号 数字信号等 凡是具有这种功能的部件或装置 统称为传感器 2 什么是气体传感器 能够采集气体的某些信息 如 浓度 种类 并把采集到的信息转化为人们更易识别的信号 如电信号 声信号 光信号 数字信号等 凡是具有这种功能的部件或装置 就是气体传感器 1 基本概念 气体传感器分类 化学类气体传感器 半导体气体传感器 催化燃烧气体传感器 电化学气体传感器 热线气体传感器等 物理类气体传感器 光电传感器 热电传感器 压电传感器 磁电传感器 气电传感器 波式和射线射线传感器等 2 气体传感器的分类 灵敏度 元件在规定的工作条件下 其在一定的气体浓度下的输出 电压 电流 电阻等 下同 与洁净空气或参比气体中的输出的差值或比值 响应时间 传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时 其输出变化达到稳定值的规定的百分比 一般为70 或90 时所需的时间 选择性 指传感器对气体种类的识别能力 稳定性 在规定的工作条件下和一定的工作周期内 传感器的输出变化不超过允许误差的能力 线性度 传感器的实际输出值曲线与某一规定直线的偏离程度 初始稳定特性 传感器在存放后重新开始工作时初始输出达到稳定的时间 寿命 在一定的工作条件下 传感器的输出变化超过允许误差的时间 零点 传感器在洁净空气或参比气体中在规定工作条件下的输出值 零点漂移 传感器在规定的工作条件下其零点的变化 灵敏度漂移 传感器在规定的工作条件下其灵敏度的变化 分辩率 传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量 爆炸下限 可燃性气体 蒸气或粉尘与空气组成的混合物能使火焰传播的最低浓度称为该气体或蒸气的爆炸下限 ppm 百万分之一 ppb 十亿分之一 3 气体传感器常用术语 部分可燃性气体 液体爆炸分类表 重庆川东油田井喷死300 人 2003年12月23日22时许 重庆市开县境内川东北气矿一矿井发生天然气井喷事故 造成人员严重伤亡 胡锦涛 温家宝等中央领导同志高度重视 硫化氢 4 气体传感器应用实例 孝感市危险化学品泄漏中毒100 人 死1人 2007年1月30日晚8时至9时许 107国道孝感市境内一运输危险化学品车行驶中发生泄漏 沿途5公里范围内 上百群众 过路司机 乘客均中毒 有机蒸汽 苏州一化工厂毒气泄漏中毒100 人 2007年1月25日21时45分左右 苏州工业园区精细化工有限公司发生毒气泄漏事故 毒气借着风势很快散布到另外一家相邻的工厂内 导致约百名正在上夜班的员工中毒 毒性气体 吉林延边煤气中毒291人住院 死16人 2006年2月17日报道 吉林省延边朝鲜族自治州所辖6个县市连日来发生的居民一氧化碳中毒事件 一氧化碳 电力 超特高压温室效应 避免恶性事故 SF6 1995年3月20日 东京市区3条地铁的列车和车站遭遇神经性毒气沙林袭击 共导致12人丧生 5000多人受伤甚至致残 美国M687型155毫米沙林毒气弹 日本东京地铁遭袭击死12人 5000 伤残 现代军事生化防恐 用于美国NASA航天飞机上的CDU440 航空航天 亚特兰蒂斯号 航天飞机降落后 技术人员正在对有毒气体进行探测 氢气 环境保护 大气污染监控 节能减排 一家化工厂的烟囱冒着带火的滚滚黑烟 笼罩在城市上空 在蓝天白云下形成了一道奇异的 风景 令人为之担忧 相关监控装备配置率较低 依赖进口 NXOY CO SOX 2004年 48岁的牛振华醉酒驾车相撞 当场身亡 1997年台湾歌手张雨生酒后驾车祸遇难 年仅31岁 目前 交通执法中对醉酒驾驶主要仍采用抽血化验 呼出气体酒精探测器应用较少 警用酒精检测仪装备配备率低于10 道路交通安全 醉酒驾车 酒祸酿车祸 酒精 综上 项目应用领域 涉及 国民经济命脉领域 毒性危险气体检测 环境保护 排放监测 电力行业SF6检测 石油 化工 冶金等工矿企业安全与防护 道路交通安全 职业健康 航海 航空 航天 军事 防化 反恐 市场发展前景广阔 中国大陆气体敏感元件及气体传感器的进口额从2004年的14 26亿美元 迅速增长到2006年的23 72亿美元 其复合增长率达29 进口金额占国内市场需求份额从2004年的76 7 上升到2006年的80 9 NEMOTO 进口产品价格高昂 全球供应市场被国外把持垄断技术与生产 价格高昂 主要集中在美 英 德等发达国家 并被其垄断着技术与生产 2020 3 20 34 国外企业技术垄断趋势加剧制约我国行业发展 空间站太空舱 飞船等航天器生命保障系统氢气检测传感器 多为美国控制 禁售我国关键器件威胁我国家战略安全 国家已将气体敏感元件 传感器产业作为创新发展的重点之一 国家 十一五规划 中明确提出要振兴我国装备制造业 但其产业的前端传感器技术之一的气体检测技术我国还很落后 过多地依赖国外技术和产品 这种现状已制约了我国信息技术 装备制造业的快速发展和技术含量升级 国家权威发展规划列入 十一五 创新发展重点 炜盛概况传感器的概念及应用介绍炜盛产品企业发展 1 半导体气体传感器 1 1半导体气体传感器的起源半导体气敏材料的发展可追溯到1931年 P Braver等发现CuO的电导率随水蒸气的吸附而改变 1948年J Gray发现CuO2薄膜在200度左右存在气敏性 而200度以下却没有 1962年日本清山哲郎与田口尚义等对ZnO SnO2薄膜的开创性研究 使气敏材料和传感器才真正发展起来 1 2半导体气体传感器的工作原理被测气体在半导体表面与氧发生化学反应时通常需要一定的温度 要获得所需要的温度就必须通过加热器给传感器通电加热 当加热器与半导体材料为隔离状态时 这一类结构的传感器就是旁热式气体传感器 当加热器与半导体材料直接接触时 这一类结构的传感器即为直热式气体传感器 不需要附加加热器的传感器就是常温式气体传感器 1 3半导体气体传感器的分类按照传感器所使用的敏感材料的差异可分为 SnO2 ZnO Fe2O3等型 按传感器内部结构的差异可分为 旁热式 MQ 2 3 4 5 6 7 8 9 MQ 135 138等 直热式 MQ 300系列 常温式 MQ 200系列 三类 图1 a 旁热式图1 b 直热式图1 c 常温式 图2旁热式元件的测试电路 1 4半导体MQ系列传感器的应用 1 5半导体元件的气敏特性A 初始恢复特性生产老化一般为10天 使用前老化一般在几十分钟到48小时不等经过冷置存放后的传感器 通电瞬间传感器敏感体的电阻会急剧下降 后逐渐变大至稳定过程所需要的时间取决于存放环境以及冷置时间的长短 图3半导体元件初始恢复特性曲线 B 响应 恢复特性与稳定性 1 6半导体气体传感器的应用特点适用领域 工业 家用领域中爆炸下限内气体的半定量 定性检测 灵敏度 输出信号较大 一般以 V 为单位相应恢复特性 一般响应时间小于10s 恢复时间小于30s 选择性 不具有本质的选择性 只可显示差异 功耗 半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度 器件的功耗与敏感材料 元件结构及所要检测的气体种类密切相关 常规旁热式元件的功耗约750 850mw 平面半导体元件200 450mw 直热式元件及常温元件功耗一般小于250mw 线性 浓度与灵敏度呈指数关系 会出现饱和现象 稳定性 环境氧浓度的变化 水对表面活性位的占据 环境温度的变化 干扰气体的影响 传感器敏感材料本身物理性质 颗粒 的变化等都会引起传感器特性的变化 寿命 寿命一般会超过10年 除机械性损伤造成的传感器失效外 不同结构的半导体气敏器件的差异 旁热式元件有更好的稳定性 敏感体材料与引线接触的更紧密 信号不交叉 但功耗大 直热式元件体积小 功耗小 但是 敏感体材料易与引线接触不良 加热与测试信号易交叉 因此 稳定性次于旁热式元件 常温型元件体积小 功耗低 但稳定性较差 2 催化燃烧式气体传感器 2 1催化气体传感器的起源催化燃烧式气体传感器使用已有50年以上的历史 最初是用于监控采矿场中的甲烷 2 2催化气体传感器的工作原理在一定的条件下 300 400 被测可燃性气体到达传感器表面与吸附氧发生剧烈的燃烧反应 放出大量的热 导致感温线圈 一般为铂金属丝 电阻发生变化 通过检测感温线圈电阻的变化实现对气体的检测 2 3催化燃烧气体传感器的特点 环境温度的变化会引起感温线圈电阻的变化 元件通常配对使用补偿元件 白元件 对气体无反应 检测元件 黑元件 可与气体发生反应 白元件用以抵消 补偿 环境因素带来的影响 图10MC系列灵敏度及其响应恢复曲线 图9MC系列检测电路 催化燃烧气体传感器检测电路与性能图谱 2 4催化燃烧气体传感器的应用特点适用领域 工业 家用领域爆炸下限一下可燃气体的定性 半定量 定量检测 灵敏度 信号输出一般以 mV 为单位 相应恢复特性 一般响应时间小于10s 恢复时间小于30s 选择性 不具有本质的选择性 相对选择性要明显好于半导体气体传感器 并可抵抗水蒸汽 烟雾的干扰功耗 同半导体气体传感器一样 接触燃烧式气体传感器工作时需要消耗一定的能量以保持工作温度 目前常见的接触燃烧式气体传感器的功耗250mw 450mw 线性 100 LEL以下灵敏度与浓度呈线性关系 由于热传导和吸附效应 在浓度较高时曲线会出现向下弯曲现象 寿命 由于工作温度要高于半导体气体传感器 以及载体催化剂本身的缺陷 其使用寿命要比半导体的寿命要短 5年左右 最早的电化学气体传感器应用可追溯到20世纪50年代 当时用于氧气监测 20世纪80年代后 用于毒性气体检测的电化学气体传感器日益增多 电化学气体传感器良好的敏感性与选择性使其应用越来越广泛 逐渐成为主流气体传感器之一 发展前景良好 常用的电化学气体传感器是定电位电解式和伽伐尼电池式 3 电化学式气体传感器 被测气体扩散或泵入到催化电极 工作电极 表面 并发生氧化或还原反应 由此产生的电流与被测气体的浓度成正比 通过检测电流的大小即可实现对气体的测定 电化学气体传感器工作原理 CO气体传感器在多孔电极上反应原理 技术创新技术领先 工艺先进 结构设计纳米级催化剂制备技术电极制备技术偏心结构 专利设计 有效解决漏液问题零部件少 装配工艺简洁 易于大规模生产 科技成果奖 电化学酒精传感器 获郑州市科技成果奖 2007年 科技进步一等奖 电化学磷化氢传感器 获河南省信息产业厅科技进步一等奖 2007年 国家专利 电化学传感器共申请获得国家专利4项 至2007年底 科研成果专利 奖项 本项目涉及的气体传感器及应用产品和设备均通过相关机构认证 测量结果符合国标准性能达到设计要求 资格认证消防型式 防爆 计量 煤安及国际 6 热传导型气体传感器 6 1热传导型气体传感器工作原理 不同的气体在相同的条件下具有不同的热传导率 在一定的条件下 被测气体浓度或组分的变化导致元件工作环境热传导率发生变化 从而引起元件表面温度的变化 进一步导致感温元件电阻变化 通过测量感温电阻的变化实现对气体浓度的检测 工作时为了抵消环境温度的变化 通常配对使用 图13热传导元件结构和检测电路 6 2热传导气体传感主要性能适用领域 主要用于工业场所 野外等需要检测高浓度气体的场所 灵敏度 此类传感器对低浓度气体响应很低 只能检测1 vol以上的气体 响应 恢复特性 一般响应时间小于10s 恢复时间小于30s 选择性 本类型传感器可测所有的气体 无本质的选择性 只能在特定的环境中实现相对的选择性 稳定性 受环境温湿度影响 线性 100 vol内呈线性关系 由于不可避免的热辐射 气体浓度高时元件的输出曲线也会向下弯曲 寿命 本类型元件不含活性物质 不与气体发生化学反应 无灵敏