电阻型常温气敏元件的设计及分析

1 电阻型常温气敏元件的设计及分析 张开文 2010 7 26 摘要 本文通过认真的分析和计算 结合生产和现行的产品情况分析了常温元件的工 作特性和性能参数之间的关系 明确地提出了常温元件的设计和制造应遵循的原则 常温 元件最重要是元件的初始阻值 R0范围为 360 左右 最佳的阻值范围是 200 330 其 输出电压 VRL应在 0 8 1 2V 的范围 为设计和制造常温气敏元件提供一定的依据和一 些经验数据 关键词 常温气敏元件 自热式气敏元件 元件阻值 元件功率 取样电阻功率 Design and analysis of resistance room temperature gas sensor Abstract Based on present room temperature gas sensor products detection and data analysis was carried out to reveal the relationship between its work characteristic and performance parameter Design and manufacturing principles for the room temperature gas sensor were proposed Results showed resistance of sensor R0 was about 250 optimized resistance range was 200 to 330 and corresponding output voltage VRL was 0 8 V to 1 2V Keywords Room temperature gas sensor Self heating Resistance of sensor Power consumption of sensor 0 前言 金属氧化物半导体气敏元件问世以来已经大半个世纪 由于其导电 机理决定了金属氧化物半导体气敏元件要在一定温度下才能正常工作 因此金 属氧化物半导体气敏元件的结构总是包括气体敏感部分和加热部分两大部分 然而这给使用和制造打来了不少的麻烦 为了解决金属氧化物半导体气敏元件 的加热问题世界的科学工作者做了大量的研究 但始终没有实现常温型金属氧 化物半导体气敏元件 但是通过大量的研究和实验 根据金属氧化物半导体气 敏元件的机理人们研究出了所谓的常温元件 即不带加热器的金属氧化物半导 体气敏元件 半导体气敏元件基于金属氧化物半导体表面吸附气体的电子交换的原理 所有的物体都具有吸附的特性 吸附分物理吸附和化学吸附 通常物理吸附发 生在低温阶段 物理吸附一般发生在较高的温度范围 物理吸附是物体表面靠 2 范德华引力吸附 类似于水汽吸附凝聚成水分子附着在物体的表面 同时表面 的水分子也不停的离开表面 在一定的条件下会达到一个平衡 它们在吸附与 脱附的整个过程没有发生化学变化 也就没有电子的交换过程 化学吸附实施 发生在物体表面的化学反应 有电子的交换 也伴随新的物质的生成 金属氧 化物半导体气敏元件的气敏效应主要利用的是化学吸附效应 吸附过程同时伴 随着脱附过程 吸附与脱附在一定的温度下总会达到一个动态平衡 吸附与脱 附与半导体表面能量有关 物体表面能量的大小直接影响吸附和脱附的平衡建 立过程的快慢 半导体气敏材料如 SnO2表面吸附氧化性气体氧气 O2时 SnO2将供给 O2电 子形成氧离子 O2 O 2 O O 2成为施主 由于失去电子半导体的电导降低 当半导体表面接触还原性的可燃气体时 还原性气体与半导体表面的氧离子发 生氧化还原反映 生成新的物质 同时发生电子交换 电子又回到半导体表面 这样半导体的电导增加 通过检测半导体的电导变化从而实现对气体的检测 根据研究半导体 SnO2对于一般的可燃性气体的检测温度在 350 度左右 氧化锌 ZnO 半导体的检测温度在 400 度左右 也就是说在这样的温度下可以实现对气 体的化学吸附 当然不同的气体其实际的检测温度有所不同 不论将其做成什 么样结构的气敏元件 其工作温度都要满足这一要求 只不过不同的气体其反 应温度有所不同而已 因此所有的气敏元件都是离不开加热器 然而加热器又 给制作和使用带来许多的不便 人们想尽各种办法试图甩掉气敏元件的加热器 至今没有很成功的案例 但都在积极的减小元件的功率消耗 如减小元件的体 积减少功耗 采用直热式结构即减少了体积也充分利用所供给的能量 最近的 MEMS 的气敏元件其功耗已经减小到 30MW 但还是未能丢掉元件的加热部分 现 在的所谓常温元件看起来没有加热器 实际上元件还是没有真正的实现不加热 的常温元件 它采用了元件的自身发热来提供元件正常的的工作温度 所谓常 温元件实际是元件自身发热的气敏元件 正确的应该叫做自热式气敏元件 还 有一种常温振荡型气敏元件 该气敏元件与电阻型的常温元件的气敏机理有所 不一样 这种震荡型常温气敏元件可以认为是真正的常温气敏元件 基本不依 靠元件的自身发热来维持正常的工作 本文的设计原理不适用于常温振荡型元 件 无论常温电阻型还是震荡性气敏元件都是气敏领域长期对半导体气敏元件 的材料 结构 机理研究的结果 实现了一个供电电源的无加热器的气敏元件 在正常工作时功耗仅有 100mw 左右 电流在 20mA 左右 但其自身也存在一些不 足 有些问题是无法解决的致命伤 如稳定性差 灵敏度低 启动慢 长期储 存后性能变化引起不能启动 过载能力差易烧毁 检测气体受限等等问题 但 是只要设计制作满足了该类气敏元件的特殊要求 元件可以在一定场合下得到 很好的应用 3 1 元件制作及结构 采用双螺旋直径为 0 03 的铂金丝 Pt 或合金丝 大线圈的直径 0 4 圈数 为 6 圈 小线圈的直径为 0 2 圈数为 6 圈 先在小线圈上均匀的涂覆上一层气 敏材料 待干燥后小心的插入带气敏料的大线圈内 调整好引线的方向 并防 止两线圈发生短路 晾干并在 80 100 度的红外线烘箱中烘干 然后再高温箱式 炉中烧结 650 度左右 最后用热压焊或点焊将其固定在气敏的管座上 经老化 测试制成自热式半导体气敏元件 元件在工艺条件允许的情况下应尽量小一些 两线圈间的距离要均匀 不 能发生短路 涂覆要均匀 小球大小要一致 不能在其中形成空洞或气孔 图一 自热式气敏元件的结构及尺寸 2 元件的设计 根据设计和检测气体的要求 研制出不同的气敏材料 自热式气敏元件比 较适合制作广谱型 一氧化碳 可燃性气体 酒精等气敏元件 制作这样的元 件首先要根据检测气体的要求和工作条件作出合理的设计 除敏感性外最重要 的一点是元件在空气中的阻值要合理 否则元件就不能正常工作 即便是能工 作也会在使用中出现这样或那样的问题 如启动困难 久置不能启动 过载能 力差等等问题 元件的阻值太大根本就不能工作 其原因是元件的自身发热的 温度不能支持元件正常工作 阻值太小可能造成通电瞬间元件就烧毁 或者灵 敏度低 无法正常工作 下面就元件的设计做一简单的说明 2 1 元件的工作条件的设计 元件的阻值大小决定元件的的功率的大小 功率的大小直接关系到元件自 身发热的大小 根据现行的制作工艺水平 自热式气敏元件的的结构大小在 4 0 5 0 6 的范围 要使元件能正常的工作 元件的温度应该在 300 以上 根据制作直热微球式气敏元件的相关数据 0 9v 130Ma 117mw 和经验其功耗应 该在 100mw 左右 检测不同的气体元件的温度有所不同 一氧化碳元件的工作 温度比较低 其元件的功耗在 100mw 左右 甲烷元件的工作温度高 元件的功 率就应该高一些 根据催化元件的相关数据 黑白两个元件的 2 5v 100mA 应 该在 120mw 左右 根据 P U2 R 来设计元件的阻值 这里的 U 就是元件正常工作 在清洁空气中的元件的压降 根据现在的电路的设计和使用习惯 元件工作电 压可以在 3 9v 的范围选取 根据实验和相关的计算认为这里的 U 在 3 6v 的范 围比较合适 即方便元件的设计和制作又符合一般的使用习惯 如果 U 太小元 件的阻值也将很小 元件即使能正常工作其信号也会很小 如果 U 太高 元件 的阻值就相应高一点问题不大 但不能满足一般低电压电路的使用 现在设计 的常温元件的工作电压都是 6v 根据元件的工作 6v 元件的功率为 100mw 就 可以设计元件的阻值和取样电阻 2 2 元件的阻值 RS 元件的阻值是一个不定的动态变量 很难用什么方法来准确的设计 但是 在这里可以简单的把它作为一个理想的可变电阻体来看待 因此它也可以遵循 电工的计算方法 实际的元件阻值是通过配方的调整得到的 设 元件正常工作的功耗 Ps 100mw 0 1w 工作电压 Uc 6v 取样电阻 上的压降 VRL通常取工作电压的 1 5 1 10 取样电阻越低其输出越小 但元件 的敏感特性上升的空间就越大 这里取值为 1 6 的工作电压为 VRL 1v 那么元件 的压降 VRS 6 1 5v P U2 R R U2 P 代入数据 则 R0 52 0 1 250 根据计算元件阻值正常工作在清洁空气中的初始电阻 R0应在 250 左右的范围 是最理想的 如果功率取 0 12w 则 R0 52 0 12 208 2 3 取样电阻 RL 元件的阻值在 250 左右的范围 但元件要正常的工作还必须在取样回 路中与取样电阻相配合 取样电阻选取不好元件也是不能正常工作的 因为取 样电阻的大小直接的影响流过元件的电流大小 电流的大小决定元件功率大小 功率的大小决定元件表面的温度 所以取样电阻一定要与元件的阻值相匹配 选取的原则是 元件正常工作时取样电阻的功耗远小于元件上的功耗 但又不 能太小使元件的输出过小 建议取样电阻为元件电阻的 1 5 1 10 现行元件 5 的取样电阻为元件电阻的 1 5 即 51 左右 这是按标准电阻系列决定的 取样 电阻的改变元件的工作状态都将发生变化 2 4 元件的输出电压 V0 根据图 2 的检测原理按上述的元件电阻 250 取样电阻为 51 经计算其 V0 6 51 250 51 1 0166v 按照所设计出来的元件 元件的初始阻值 R0 250 工作电压 6v 取样电阻 51 其 V0 1 00166v 实际元件的 V0在 0 8 1 2V 是最理想的范围 只要气敏材料做出的元件满足 V0在 0 8 1 2V 的范围 阻值 在 200 330 左右 元件就一定能很好的工作 元件的输出电压是由元件的工 作电压和元件的阻值决定的 在实际生产中通过检测元件的输出电压就能控制 元件的性能 2 5 工作电压为 6v 的常温元件的设计举列 设计 根据 Vc 6v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 6v 的 1 6 为 1v 那 么元件的压降 VRS 6 1 5v 元件的功耗设为 Ps 100mw 一 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 5v 元件的功耗 Ps 100mw 代入得 Rs VRS Ps 52 0 1 250 二 求取样电阻 RL 取样电阻的压降即 VRL 1 流过的电流 I V R 因为流过元件和取样电阻的 电流相等所以 I Is 5 250 0 02A 代入 R V I 得 RL 1 0 02 50 由于 50 不是标准系列的电阻 不易购买 建议采用 E24 系列 5 或 E96 系列 1 精度的金属膜电阻 这样按上述系列可以选取 51 的电阻作为取样电 阻 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 6v 的常温气敏元件 清洁空气中元件的 阻值 Rs 250 左右 取样电阻 RL 51 为最佳的工作条件 3 常温气敏元件的结构材料分析 6 半导体微球自热式气敏元件由两个大小不一的铂金丝线圈组成 较大的线 圈套在较小的线圈的外面 组成一个同心圆 然后均匀的涂覆上气敏材料 经 烧结而成 组成的同心圆的间距应保持均匀 不得有短路现象 气敏涂料要求 均匀饱满 不能有空洞和气泡 3 1 线圈的大小 根据原理在制作工艺允许的条件下应尽量的小一点 这样做出来的元件相 对来说体积也就会小一点 需要的功率也就会小一点 也不能太小 太小致使 大小线圈之间的间距太小 一是给工艺制作带来困难 成品率低 二是在使用 时过载能力太差 甚至容易造成短路 一般情况两线圈的间距在 0 1 左右 线 圈的长度 0 5 左右 3 2 线圈的材料 线圈在这里一是做电极的引出线的作用 二是起固定气敏材料的支撑作用 因此制作线圈的材料 凡是能耐高温抗氧化导电良好的金属丝都可以用来制作 元件的线圈 线圈的线径根据元件的具体尺寸和元件机械强度的要求应该比较 的细 通常 0 03mm 左右就可以了 太粗了耗材多成本高 太细了机械强度差 操作困难 材料可以是金丝 铂丝 抗氧化的合金丝均可 合金丝如金钯铂 金钯钼 甚至镍铬都可以 最好还是铂丝和铂的合金 它具有耐高温 抗氧化 能力强 机械强度也较高等优点 3 3 线圈的位置 理想的元件是大小两个线圈处于平行的同心圆的位置 这样元件各点的分 布电阻比较匀 如果两线圈不在同心圆的位置 且相差较大 作为电极的线圈 各点间的分布电阻就不均匀 这样造成电流分布也不均匀 薄弱的点很有可能 就会被击穿发生短路烧毁 4 元件工作状态下的技术参数分析 4 1 元件的工作原理 7 图二 元件工作原理图 常温元件与取样电阻串联 施加 6V 的工作电压 电流流过元件自身发热 当元件自身发热的能量与元件吸附和脱附需要的能量相当时元件进入正常的工 作状态 也可能产生周期振荡 如果元件的阻值太大 流过元件的电流太小 其自身产生的热量不足以满足元件正常工作 如果元件的阻值太小虽然流过元 件的电流较大 但是元件上的压降很小 其功率也很小 自身的热量也不能满 足元件正常工作的要求 也不能正常工作 只有元件的阻值在一合适的范围元 件才能正常工作 根据实验可知元件的阻值范围应在 250 左右 最佳的阻值 范围是 200 330 4 2 元件工作状态下的参数变化关系 元件的工作原理如图 2 所示 根据工作原理图其输出电压 VRL 元件阻值 RS 流过元件的电流 I 元件上的功率 Ps 取样电阻上的功率 PRL 基本遵循经 典的电工原理计算方法 根据图二 VRL VC RL RS RL RS VC RL VRL RL 1 将 VC 6V RL 51 代入 1 式 得 RS VC RL VRL RL 306 VRL 51 2 流过气敏元件和取样电阻上的电流 I I VC RS RL 3 那么在气敏元件上功率 Ps 和取样电阻上的功率 PRL分别为 PS VC RS RL VC VRL 6 RS 51 6 VRL 4 8 PRL VC VRL RS RL 6VRL RS 51 5 电路总的功率 P PS PRL 6 设 VRL 0 25 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5v 并带入式 2 3 4 5 6 分别得到 RS I PS PRL P 如表一所示 表一 输出电压与元件阻值 电流 功率的关系 序号参数参 数 值 VC 6V RL 51 1VRL V 0 250 511 52 02 53 03 54 04 5 2 RS 1173 56125515310271 45136 425 517 3I mA 59 819 629 439 249 058 868 678 488 2 4 Ps mw 28 75 5498132157172176172157132 5 PRL mw 1 25519 644 178 4123176240314397 6 P总 mw 3059 117 6 176235295353412471529 将以上的数据作图如图三所示 从图三可以看出元件的输出电压和电流与元件的阻值关系 元件的阻值大 其输出电压小 流过元件及取样电阻的电流也小 随着元件的阻值下降元件的 输出电压上升 流过元件及取样电阻的电流成直线上升 然而元件的功率 Ps 是 随元件的阻值下降先升高 当元件的阻值下降到 51 时 即元件的阻值等于取 样电阻的阻值时元件上的功率达到最大值 176mW 元件阻值继续下降元件上的 功率随之下降 呈对称的抛物线形 然而取样电阻上的功率 PRL却成指数式的上升 但在取样电阻上的功耗对气 敏特性不做贡献 总的功率呈直线上升的趋势 元件在实际工作时也是这样 当元件接触可燃性气体时 元件的阻值下降 元件的功率先开始是上升 一旦元件的阻值降到取样电阻以下元件功耗开始下 降 也呈抛物线形 而取样电阻上的功耗也是呈指数形式上升 9 12345678910 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 VRL V 2 RS 3 I Ma 4 Ps mW 5 PRL mW 6 P Mw 图三 元件的阻值 Rs 与输出 VRL 电流 I 元件上的功率 Ps 取样电阻上的功率 PRL 总功率之间的关 系 4 3 元件阻值的气敏特性分析 当元件的工作条件 Vc 与 RL确定后 元件阻值的大小就直接关系元件的工 作状态 这里所说的元件阻值是指元件在空气中的初始组织 R0 元件阻值太大 或太小都不能正常的工作 只有元件的初始阻值在一合适的范围元件才能正常 工作 在上面已经进行了简单的分析 下面我们就元件的阻值与元件的功耗来 进一步说明 根据上面的数据做出图四 10 图四 输出电压 VRL 电流 I 元件上的功率 Ps 取样电阻上的功率 PRL 总功率之间的关系 由表一中的数据我们可以看到 当元件的输出电压在 0 5V 时 即取样电阻 上的电压为 0 5V 时 元件的阻值大约是 561 这时元件的功耗大约 54mw 取 样电阻上的功耗也就 5mw 也就是说整个回路上消耗的功率基本上在气敏元件 上 该功耗产生的热量对元件进行加热 元件在 54mw 的功率下大概的温度在 160 左右 这时元件基本能进入正常的工作状态 具有一定的气敏特性 当元 件的初始阻值低于 561 随着元件阻值的降低其输出电压将增大 元件在回 路中的功耗将随元件的初始阻值而上升 当元件的初始阻值与取样电阻 RL一样 即 51 时 元件上的功耗达到最大值 176mw 左右 取样电阻上的功耗也达到 176mw 这时元件上的功耗和取样电阻上的功耗相等 这时元件也能正常工作 但元件的敏感特性并不高 因为元件输出已经上升到了 3v 离工作电压 6v 也 就只有 3v 的压差 没有多大变化的相对空间 这时元件的阻值只有 51 元 件接触可燃性气体后元件阻值降低到 10 阻值比也就 5 倍 我们把输出电压 为 0 5v 3 0v 这一区间定为元件的敏感区 图四红斜线与元件功率曲线所包围 的区域 根据半导体二氧化锡气敏材料的特性和微球式结构元件的功耗与温度的关 系 以及制作元件的经验 微球式元件的功耗在 100mw 左右 元件的温度大约 在 200 以上 从表一数据可以看出元件的功率在 100mw 左右时 其元件的阻 值大约在 250 左右 其相应的输出电压为 1v 因此元件的阻值在 200 330 输出电压为 0 8 1 2v 是元件的最敏感的区域 如图四的红色斜线区域 11 中双斜线区域是元件的最佳敏感区 这时回路的功耗基本都是加在元件上 为 元件敏感特性做贡献 所谓元件的最佳敏感区是指元件工作在最佳状态 不完 全指元件的灵敏度 元件的功耗在 100mw 左右 可以稳定长期的工作 不会因 为元件功率太大在长期的工作状态下发生严重的烧结现象 当元件的初始阻值小于 51 即小于取样电阻值 元件就进入敏感衰减的 区域 像这样低电阻的元件在该工作条件下就不能正常工作而成为废品 想要 通过半导体表面的电子交换进一步的改变低阻元件的电导是很难做到的 因为 低阻元件已经没有多少下降的空间了 当元件的阻值大于 561 元件的功率小于 50mw 元件的表面温度低于 160 度 刚制作好的新元件也许还能工作 但经久置元件表面大量吸附水汽或 其他一些气体 由于元件表面温度低 而不能排除元件表面吸附的水汽和其他 的气体不能激活元件 而不能进入正常的工作状态 这一区域为元件的死区 即输出电压为 0 5 以下的区域 如图四红斜线以下的区域所示 不同的检测气体对于案件有不同的要求 检测甲烷元件的工作温度要高一 些所以设计时就要求元件的功率大一点 Ps 在 130mw 左右比较合适 这是对应输 出电压为 1 5v 左右 一氧化碳的元件可以低一点 Ps 为 100mw 左右 对应的输 出电压为 1v 左右 酒精的元件也要在 110 120mw 左右 这都可以通过初步试验 后得到具体的一些经验数据 按不同测试气体进行基本设计后加以调整 综上所述金属氧化物半导体常温型气敏元件的初始阻值直接关系元件是否 能正常工作的关键参数 要使元件能正常工作 元件的初始阻值在 200 330 之间 其输出电压在 0 8 1 2v 是最理想的范围 当然还要根据不同的气敏材料 和不同的检测气体做一些具体的实验获取相关的数据才能设计制作出理想的产 品 五 常温气敏元件对气敏材料的要求 常温气敏元件对气敏材料的要求除了与一般的气敏材料一样都要求具有敏 感稳定外 还应注意以下几点 由于元件的初始电阻对于常温元件至关重要 因此要根据元件的工作条件 设计合适的气敏材料 通过实验使所作的气敏材料的阻值范围在元件的最佳工 作的敏感区内 这是最为重要的 由于气敏材料属于多晶的混合材料 虽然其 阻值在一定范围内可以控制 但也不是很好控制的 能将气敏材料的阻值范围 控制在某一个范围范围就可以了 但不能太分散 12 常温型气敏元件与旁热式和直热式元件都不一样 旁热式和直热式元件的 气敏材料都不直接通电发热维持正常工作 气敏材料上流过的电流很小 一般 是微安级 功耗都很小 一般都在 10mw 左右 材料在长期工作条件下也基本不 发热的 只有一定的极化 对材料影响不是很大 而常温型气敏元件要靠自身 发热来维持元件的正常工作 除了受到电压的极化作用外 还长期经受自身发 热的烧结作用 其烧结作用远比旁热式和直热式元件要强的多 因此常温型气 敏元件的气敏材料的稳定性一定要高 否则元件不能长期正常工作 很快元件 就会失效 通常元件经过一段时间就失去气敏性了 元件的结构是微球式结构 是两个线圈套在一起 用气敏材料将线圈固定 起来 这样元件的机械强度与气敏材料直接相关 元件在工作状态下受到长期 的热胀冷缩的作用 线圈和材料的膨胀系数也有差异 因此气敏料和结构材料 的金属线圈之间难免不发生变化 这也是影响元件稳定性的元件之一 所以气 敏料的强度应比较的结实 以保证元件的机械强度敏感特性 结论 金属氧化物半导体常温气敏元件其本质是自热式元件 元件在工作 电压下 流过元件的电流产生热量 当元件自身的热量满足气敏元件正常工作 的条件下 元件就能正常的工作 因此元件的初始电阻是决定元件能否正常工 作的关键参数 元件的设计和制作应满足以下的要求 元件就能正常的工作 1 元件应该设计成微球状 其个体应尽量的小 以减少元件的功率要求 通常的直径为 0 5 左右 内外电极呈同心圆结构 间距均匀 为 0 1mm 左右 不得有短路现象 2 元件的初始阻值根据元件的具体的工作电压和取样电阻来设计 当元件 的工作电压为 6v 取样电阻为 51 时 元件的阻值在 200 330 之间是最佳 的阻值范围 3 元件的初始阻值在 200 330 之间 就能保证元件在清洁空气中的输出 电压的初始值在 0 8 1 2v 的范围 元件的敏感特性就有足够的空间 4 当元件的的工作条件发生变化后 也可以依据本文的设计思想设计能正 常工作的产品 比如工作电压升高或降低 都应根据取样电阻和实际的工作电 压来设计 保证元件工作在最佳的敏感区 即元件在清洁空气中的元件的功耗 Ps 为 100mw 甲烷元件在 130mw 左右 左右就可以了 请看附录 13 5 常温元件的气敏材料应该敏感 稳定 强度高 阻值较低并与工作电压 匹配 以上是根据多年的实验和经验对常温气敏元件的设计的一些看法 没有很 权威的理论依据 也许就是经验之谈 难免没有错误 欢迎交流讨论和指正 二零一零年七月二十八写于郑州炜盛电子 附录 不同工作电压的常温气敏元件的元件阻值和取样电阻的设计 附录 一 工作电压为 9v 的常温元件的设计 设计 Vc 9v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 9v 的 1 6 为 1 5v 那么元件的压降 VRS 9 1 5 7 5v 元件的功耗 Ps 100mw 一 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 9 1 5 7 5v 元件的功耗 Ps 100mw 代入 得 Rs VRS Ps 7 52 0 1 562 5 二 求取样电阻 RL 取样电阻的压降即 VRL 1 5 流过的电流 I V R 因为流过元件和取样电阻 的电流相等所以 I Is 7 5 562 5 0 013333A 代入 R V I 得 RL 1 5 0 01333 112 5 由于 112 5 不是标准系列的电阻 不易购买 建议采用 E24 系列 5 或 E96 系列 1 精度的金属膜电阻 这样按上述系列可以选取 110 的电阻作为取样电 阻 RL 110 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 9v 的常温气敏元件 清洁空气中元件的 阻值 Rs 562 5 左右 取样电阻 RL 110 为最佳的工作条件 其正常工作的 各个参数如表一所示 序 号 参 数 参 数 值 Vc 9v RL 110 VR 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 05 56 06 57 07 5 14 L Rs 1870880550385286220173138110887055423122 Is 4 59 113 618 2 22 7 27 31 836 2 41 45 5 50 54 5 596468 Ps 3973102127148164175182184182175164148127102 PR L 2 39 02036 45782111145184227275327385447511 P 总 4182123164204245286327368409450491533574614 123456789 10 11 12 13 14 15 0 100 200 300 400 500 600 700 Is Ps PRL P总 图 工作电压为 9v 取样电阻为 110 的常温元件参数图 15 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 VRL Rs Is Ps PRL P总 图二 工作电压为 9v 取样电阻为 110 的常温元件参数图 附录二 工作电压 Vc 6v 的常温气敏元件的设计 一 VC 6V RL 51 设计 Vc 6v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 6v 的 1 6 为 1v 那 么元件的压降 VRS 6 1 5v 元件的功耗 Ps 100mw 一 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 5v 元件的功耗 Ps 100mw 代入得 Rs VRS Ps 52 0 1 250 二 求取样电阻 RL 取样电阻的压降即 VRL 1 流过的电流 I V R 因为流过元件和取样电阻的 电流相等所以 I Is 5 250 0 02A 代入 R V I 得 RL 1 0 02 50 由于 50 不是标准系列的电阻 不易购买 建议采用 E24 系列 5 或 E96 系列 1 精度的金属膜电阻 这样按上述系列可以选取 51 的电阻作为取样电 阻 16 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 6v 的常温气敏元件 清洁空气中元件的 阻值 Rs 250 取样电阻 RL 51 为最佳的工作条件 序号参 数参 数 值 VC 6V RL 51 1 VRL V 0 250 511 52 02 53 03 54 04 5 2 RS 117356125515310271 45136 425 517 3 I mA 59 819 629 439 249 058 868 678 488 2 4 Ps mw 28 755498132157172176172157132 5 PRL mw 1 25519 644 178 4123176240314397 6 P总 mw 3059118176235295353412471529 12345678910 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 VRL V 2 RS 3 I Ma 4 Ps mW 5 PRL mW 6 P Mw 17 结论 工作电压 Vc 6v 取样电阻 RL 51 元件的阻值范围在 250 左右 其范围是 200 330 输出电压 1v 左右 其范围在 0 8 1 2v 为元件的最佳敏感 区 二 Vc 6v RL 56 设计 Vc 6v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 6v 的 1 6 为 1v 那 么元件的压降 VRS 6 1 5v 元件的功耗 Ps 100mw 一 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 5v 元件的功耗 Ps 100mw 代入得 Rs VR2S Ps 52 0 1 250 二 求取样电阻 RL 取样电阻的取值为 56 RL 56 由于 56 比计算的稍大一点 序号参 数参 数 值 VC 6V RL 56 1VRL V 0 250 511 52 02 53 03 54 04 5 18 2 RS 1288616280168112 78 4 56402818 7 3I mA 4 58 917 926 835 744 65462 571 480 4 Ps mw 25 7 49 1 89 1121143156 160 5 156143121 5 PRL mw 1 14 517 94071112 160 5 219286361 6 P总 mw 26 8 53 6 107161214268321375429482 12345678910 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 VRL V RS I mA Ps mw PRL mw P总 mw 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 6v 取样电阻为 56 的常温气敏元件 的工作情况应该与 VC 6V RL 51 的差不多 功率稍低一点 100mw 往上移 附录三 工作电压 Vc 5v 的常温气敏元件的设计 一 工作电压 Vc 5v 取样电阻为 33 的常温气敏元件 设计 Vc 5v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 6v 的 1 6 为约 0 8v 那么元件的压降 VRS 5 0 8 4 2v 元件的功耗 Ps 100mw 1 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 4 2v 元件的功耗 Ps 100mw 代入得 19 Rs VRS Ps 4 22 0 1 176 4 2 求取样电阻 RL 取样电阻的压降即 VRL 0 8 流过的电流 I V R 因为流过元件和取样电阻 的电流相等所以 I Is 4 2 176 4 0 024A 代入 R V I 得 RL 0 8 0 024 33 33 由于 33 333 不是标准系列的电阻 不易购买 建议采用 E24 系列 5 或 E96 系列 1 精度的金属膜电阻 这样按上述系列可以选取 33 的电阻作为取样电 阻 RL 33 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 5v 的常温气敏元件 清洁空气中元件的 输出电压 VRL 0 8v 元件阻值 Rs 176 左右 取样电阻 RL 33 为最佳的工作 条件 序号参数参 数 值 Vc 5v RL 33 1VRL V 0 250 51 01 52 02 53 03 54 04 54 75 2RS 6272971327749 53322148 253 71 74 3 I mA7 615 23045 5617691106121136144 4Ps mw 3668 212115918218918215912168 236 5 PRL mw 1 97 63068 2121189273373485613684 6 P总 mw 37 975 8152227303379455532606681720 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 VRL V RS I mA Ps mw PRL mw P总 mw 图工作电压 Vc 5v 取样电阻为 33 的常温气敏元件工作各参数曲线 注 曲线有点变形是由于取值的问题 不影响实际的应用 二 工作电压 Vc 5v 取样电阻为 39 的常温气敏元件 设计 Vc 5v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 5v 的 1 6 为约 0 8v 那么元件的压降 VRS 5 0 8 4 2v 元件的功耗 Ps 100mw 1 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 4 2v 元件的功耗 Ps 100mw 代入得 Rs V2RS Ps 4 22 0 1 176 4 2 取样电阻大于 33 取 39 序号参数参 数 值 Vc 5v RL 39 1VRL V 0 250 51 01 52 02 53 03 54 04 54 75 2 RS 7413511569158 5392616 79 754 332 05 3I mA6 4112 825 638 551 364 17790103113122 4 Ps mw 30 457 7103135153160 515313510357 730 4 5PRL mw 1 66 412557 7103160 5232314410519579 21 6 P总 mw 32 164 1128192256321385449513577609 1234567891011 0 100 200 300 400 500 600 700 800 VRL V RS I mA Ps mw PRL mw P总 mw 从工作电压都是 5v 改变取样电阻的数据来看 基本的情况都差不多 最主 要的是总的功率降低了元件的最大功率降低了 取样电阻上的功率也减低了 只要能正常工作适当的把取样电阻取值高一点是可以的 但一定要满足元件的 输出电压在 1 5 左右时元件的自身功率在 100mw 左右就可以了 但最低不得低 于 50mw 否则元件就很难正常工作 戴维莱的 TP 2S 振荡型一氧化碳元件的设计分析 戴维莱的 TP 2S 一氧化碳元件 该元件是振荡型的气敏元件 他不是靠元 件自身发热来维持正常工作 其气敏机理至今还不是很清楚 据孙良彦教授分 析认为 CO 气体与 SnO2表面吸附的 O2进行反应生成 CO3基 吸附在元件表面上 然 后以 CO2进行热脱附 在该过程中 由于SnO2表面吸附 O2的脱离 使SnO2表面势能降 低 表面能级向下弯曲 使电导增大 电阻下降 这也就是振荡曲线上升的解 与 CO 反应脱离的 O2的 Sn 2处 再吸附 O2 夺取电子 而式电阻增大 振荡曲线就向下 但 是有人认为在常温下 O2很难在SnO2上吸附 即使在一定温度下如 200 O2是否能 在SnO2上吸附还无法证明 那么在常温元件为什么能实现呢你 有人认为是SnO2中掺 如 Pd 则使SnO2再氧化对 CO 的催化作用 而且 Pd 又是 O2的供应点 由于它的增益效 应 则向SnO2提供 O2 因此电阻增大电流下降 综上 常温气敏元件的振荡条件是 1 CO 气体与SnO2表面吸附的氧的反应速度 2 在 Pd 上吸附的 O2 向SnO2表面提供 提高SnO2表面再氧化速度 O2的扩散速度 3 反应的分子数 4 反应生成物能迅速的离开SnO2的表面 22 23 24 25 5V 的工作电压 取样电阻 RL 51 这样的设计是合理的 因为 TP 2S 是 检测一氧化碳的 一氧化碳元件的工作温度低一点 这样把工作电压降低到 5V 取样电阻应该降低 但是仍然是 51 这样元件的的功耗低 实际检测元 件就是工作在常温状态 如果不启动辅助加热系统元件外壳是凉的 在空气中元件不振荡 输出仅 0 1v 左右 计算 I 0 1 51 1 96mA 元件 上的功率 P 1 96 5 9 11 56mw 就是在 800PPM 的 CO 下其输出也只有 0 8v 左 右 计算 I 0 8 51 15 7mA 元件上的功率 P 15 7 5 2 81 6mw 这时元件的温 度最多就是200 左右 当元件一直保持在测试气氛下 元件上的高温促使反应生成 的 CO2离开元件表面 元件表面中的 Pd 的催化和促进元件又从新吸附氧 电导又开始 下降 输出降低 这样反复升高和降低就产生振荡 当元件离开测试气体很快就降到 室温 实际检测和计算可以看出元件正好工作在 CO 的敏感温度区 否则元件就不会振 荡而成为电阻型的气敏元件 检测一氧化碳是可以正常工作的 取样电阻上的功耗也低 这样就适应一 氧化碳元件 但是元件的功耗低了很容易慢性中毒而失效 因此该元件要定期 的加热清洗 该元件设计每 45 分钟采用 8 5V 的直流电压清洗 8 秒钟 并且初 次通电为了保证元件能正常的进入工作状态 要求清洗的电流为 100mA 另外 元件还有一个辅助加热的电路 根据环境温度改变加热电压的占空比来调节元 件内部小环境的温度以保证元件能正常工作 根据戴维莱 TP 2S 一氧化碳元件的说明书可以看出元件正常工作时的 V0 在 0 2 左右 接触 CO 100PPM 后元件开始震荡 幅度 320mv 震荡的幅度 和频率随浓度的增加而上升 上升和下降都比较的快 成尖脉冲状 当有乙醇 500PPM 时震荡在高位 320mv 呈衰减的趋势 其幅度不减 仍为 320mv 直 到振荡停止后开始大幅度的震荡一段时间 又开始在更高幅度上衰减式震荡 这 样反复的逐渐衰减的振荡 经 3 个多小时的观察由最高的 2000mv 逐渐衰减到 520mv 呈正弦波继续震荡 继续加 CO 又开始均匀的振荡 幅度也上升基本上每 加 100ppm 的 CO 幅度增加 100mv 加了 CO400ppm 后又加入 H2振荡很快就消失 并幅度也下降了 输出呈直线 基本没有振荡 但幅度有少许的增加 元件对 一氧化碳确实有很好的选择性 不受乙醇 氢气和烷烃的干扰 26 序 号 参数参 数 值 Vc 5v RL 51 1VRL V 0 25 0 51 01 52 02 53 03 54 04 54 75 2RS 969 45920411976 5513422 12 75 5 72 7 3I mA4 9 9 819 629 439 2495968 678 48893 4Ps mw 23 3 44 178 4103118 122 5 1181037944 124 5PRL mw 1 234 919 64478 122 5 176240313397442 6 P总 mw 24 5 4998147196245294343392441466 27 1234567891011 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 VRL V RS I mA Ps mw PRL mw P总 mw 附录四 工作电压 Vc 3v 的常温气敏元件的设计 一 Vc 3v RL 12 设计 Vc 3v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 3v 的 1 6 为 0 5v 那么元件的压降 VRS 3 0 5 2 5v 元件的功耗 Ps 100mw 1 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 3 0 5 2 5v 元件的功耗 Ps 100mw 代入 得 Rs VRS Ps 2 52 0 1 62 5 2 求取样电阻 RL 取样电阻的压降即 VRL 0 5v 流过的电流 I V R 因为流过元件和取样电阻 的电流相等所以 I Is 2 5 62 5 0 04A 代入 R V I 得 RL 0 5 0 04 12 5 由于 12 5 不是标准系列的电阻 不易购买 建议采用 E24 系列 5 或 E96 系列 1 精度的金属膜电阻 这样按上述系列可以选取 12 的电阻作为取样电 阻 RL 12 28 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 3v 的常温气敏元件 清洁空气中元件的 阻值 Rs 62 5 左右 取样电阻 RL 12 为最佳的工作条件 其正常工作的个 参数如表三所示 序 号 参数参 数 值 Vc 3v RL 12 1VRL V 0 250 50 751 01 251 51 752 02 252 52 75 2RS8128 6642 41 1 3I mA 214262 583 3104125146167186208229 4Ps mw 5710414116718218818216714110457 5PRL mw 5 2214783 3130188255333422521630 6 P总 mw 62 5125188250312375437500563625687 1234567891011 0 100 200 300 400 500 600 700 800 VRL V RS I mA Ps mw PRL mw P总 mw 图 Vc 3v RL 12 二 Vc 3v RL 15 29 设计 Vc 3v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压 Vc 3v 的 1 6 为 0 5v 那么元件的压降 VRS 3 0 5 2 5v 元件的功耗 Ps 100mw 1 求元件在清洁空气中的阻值 Rs 根据 P U2 R 将元件的压降 VRS 3 0 5 2 5v 元件的功耗 Ps 100mw 代入 得 Rs VRS Ps 2 52 0 1 62 5 2 求取样电阻 RL 取样电阻的压降即 VRL 0 5v 流过的电流 I V R 因为流过元件和取样电阻 的电流相等所以 I Is 2 5 62 5 0 04A 代入 R V I 得 RL 0 5 0 04 12 5 按理取样电阻应该取 12 5 但我们有意将取样电阻取大一点 这里取值 15 即 RL 15 根据上面的计算结果 工作电压 Vc 3v 的常温气敏元件 清洁空气中元件的 阻值 Rs 62 5 左右 取样电阻 RL 15 为工作条件 其正常工作的个参数如 表三所示 序 号 参数参 数 值 Vc 3v RL 15 1 RS 165754530211510 77 5531 36 2 VRL V 0 250 50 751 01 251 51 752 2 252 52 75 3 I mA 16 733 35066 783 3100117133 150166 7183 4 Ps mw 45 883 3112 5133 3146150146133 3112 583 345 8 5 PRL mw 4 1716 737 566 7104150204266 7337 5416 7504 2 6 P总 mw 501001502002