气敏传感器公开课1ppt课件

气体传感器，问题：学生们知道有毒有害气体吗？ 煤气、二氧化碳、甲烷和烟就是这样。 这些气体达到一定浓度后，会对我们的生命感到危机。 2、那么，必须如何预防有害气体对我们的生命安全造成的损害呢？ 安装了对这些有害气体敏感的报警器。 本章介绍的气体传感器是该报警器电路的重要器件。 接着，对气体传感器进行说明。 气体传感器的作用相当于我们的鼻子，“闻”出空气中的某些特定气体，判定气体浓度，实现气体成分的检测和监测，改善人们的生活水平，保障人们的生命。 环境污染、火灾警报、煤矿、化工、一、气体敏感性相关的基本概念、气体浓度的表示？ 环境大气(空气)中污染物浓度的表示方法有： 1、质量浓度表示法：空气中每立方米的污染物质量数、mg/m32、体积浓度表示法： 100万体积的空气中的污染物体积数、ppm、大部分气体检测器测得的气体浓度为体积浓度(ppm ) 按照中国的规定，特别是环境保护部门要求以质量浓度单位(mg/m3 )表示气体浓度，中国的标准规格也以质量浓度单位(例如mg/m3 )表示。 什么是气体传感器？ 气体传感器是用于检测气体种类、浓度、成分的传感器。 因为气体的种类多，性质不同，用一种传感器检测所有种类的气体是不可能的，所以能够实现气体-电转换的传感器的种类多，根据构成气体传感器的材料可以分为半导体和非半导体两种。 现在使用最多的是半导体气体传感器。 烟报警器、酒精传感器、二氧化碳传感器、气体电阻器外形、酒精传感器、其他可燃性气体传感器、酒精传感器、呼气管、家用液化气报警器、一氧化碳传感器、其他气体传感器、NH3传感器、甲烷传感器、二氧化碳浓度传感器汽车尾气测量、汽车尾气分析、有毒气体传感器的使用1、气体传感器的性能要求：对被测气体灵敏度高，对被测气体以外的共存气体和物质不敏感的性能稳定，再现性好，响应检测信号迅速寿命长，制造成本低，使用和维护方便等， 气体传感器暴露在各种成分的气体中使用，检查现场的温度、湿度变化大，粉尘和油雾等大量存在，因此其工作条件差，传感器元件的材料会发生化学反应物，附着在元件表面，使性能恶化。 因此，在气体感应元件中，2、识别气体感应传感器2、常见气体感应传感器的分类、3、半导体气体感应传感器的机理、半导体气体感应元件与气体接触，利用半导体的电导率等物理性质变化的原理来检测特定气体的成分和浓度n型：氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。 合成材料中有时会浸透钯(Pd )、铂(Pt )、银(Ag )等催化剂。 表7-1半导体气体感应元件的分类、基本原理是利用半导体表面的气体的氧化还原反应使感应元件的电阻值发生变化来制作的。 半导体气体感应材料吸附气体的能力很强。 半导体器件被加热到稳定状态，气体与半导体表面接触并被吸附时，被吸附的分子首先自由扩散到表面物性，失去动能，一部分分子蒸发，剩馀的分子热分解而被固定在吸附位置(化学吸附)。 当半导体功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子从器件中取出电子变成负离子吸附，在半导体表面出现电荷层。 有吸附氧等负离子倾向的气体被称为氧化型气体和电子接受性气体。如果半导体的功函数比吸附分子的解离能大，吸附分子就会向器件发射电子，形成正离子吸附。 有正离子吸附倾向的气体有石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、气体、天然气、氢等。 这些是还原性气体或电子供给性气体，即通过化学反应提供电子，化学价上升的气体，大多数是可燃性气体。 如果氧化型气体吸附在n型半导体(SnO2、ZnO )上，还原型气体吸附在p型半导体(CrO3)上，则半导体载流子减少，电阻值增大。 如果还原型气体吸附在n型半导体上，氧化型气体吸附在p型半导体上，则载流子增多，半导体电阻值降低。图9-1N型半导体吸附气体时器件电阻值变化图、规则总结：氧化型气体n型半导体：载波数降低、电阻增加还原型气体n型半导体：载波数增加、电阻减少氧化型气体p型半导体：载波数增加、电阻减少还原型气体p型半导体：载波数降低、电阻增加、4， 半导体气体传感器型和结构1. (b )薄膜型设备(c )厚膜型设备、图9-2的气体传感器的设备结构(a )烧结型气体传感器(b )薄膜型设备(c )厚膜型设备，加热方式一般有直热型和旁热型两种，因此直热型和旁热型的温感元件直热型气体感应器件的结构和符号如图9-3所示。 如图9-3直热型气体感应设备的结构及符号(a )结构(b )符号、旁热型气体感应元件的结构及符号图9-4所示，图9-4的旁热型气体感应元件的结构及符号(a )旁热型结构(b )符号、2 .非电阻型半导体气体传感器非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器是利用MOS二极管的电容电压特性的变化和MOS场效应晶体管(MOSFET) ) )的阈值电压的变化等物性制成的气体感应元件。 由于类设备的制造工艺成熟，设备集成化容易，性能稳定、廉价。 利用特定材料使装置对特定气体特别敏感。 (1)MOS二极管气体感应器件mos二极管气体感应元件的制作工艺，利用热氧化工艺在p型半导体硅晶片上形成厚度50100nm的二氧化硅(SiO2)层，并在其上蒸镀钯(Pd )的金属薄膜而形成栅极、图-MOS二极管结构和等效电路(a )结构(b )等效电路(c)C-U特性，(2)作为mos场效应晶体管的气体传感器的钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET )的结构，参照图9-6。 图9-6钯MOS场效应晶体管的结构、(1)气敏元件灵敏度特性烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏元件对气体的灵敏度特性如图所示。 气敏元件的电阻值RC与空气中的被测气体的浓度c有对数关系： logRC=mlogC n式中n与气体检测灵敏度有关，除了根据材料和气体的种类而变化之外，还会根据测量温度和添加剂而变化很大。 m是气体的分离度，根据气体浓度而变化，对可燃性气体。 在气体感应材料SnO2中添加铂(Pt )或钯(Pd )等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。 添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作温度影响元件的选择性。 5、气敏元件的基本特性，1.SnO2系，(2)SnO2材料的物理、化学稳定性好，与其他类型的气敏元件(例如接触燃烧式气敏元件)相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好，耐腐蚀性强。 (3)SnO2气敏元件对气体的检测是可逆的，而且吸附、装卸时间短，可连续长时间使用。 (4)零件结构简单，成本低，可靠性高，机械性能好。 (5)气体检测不需要复杂的处理设备。 可将被检测气体的浓度直接转换成电信号，信号处理电路简单。影响SnO2气体灵敏度效果的主要因素，(1)SnO2结构组成影响气体灵敏度效果的SnO2具有金红石型结晶结构，制作气体灵敏度元件的SnO2一般偏离化学计量比，在SnO2中存在氧空穴和锡间隙原子。 这种结构缺陷直接影响气体感应器件的特征。 一般来说，SnO2中氧空位多，气体灵敏度效果显着。 (2)SnO2中的添加物对气体灵敏度效果的影响实验证明SnO2中的添加物质对气体灵敏度效果有显着的影响。 表7-3显示了添加物质不同的SnO2气体感应元件的气体感应效果。 (3)烧结温度和加热温度对气敏效应的影响实验证明，制作元件的烧结温度和使元件工作时的加热温度对气敏性能有显着的影响。 因此，可以利用元件这一特性进行选择检测。 表7-3添加物对SnO2气体敏感性的影响，LPG、CO、城市气体、醇、醇、丙酮、烃系还原性气体，200300、(4)SnO2气体敏感性元件容易受到环境温度和湿度的影响，上图中SnO2气体敏感性元件受到环境温度和湿度的影响环境温度、湿度会影响其特性，因此使用时通常需要温度补偿。 2.ZnO (氧化锌)系气体感应元件ZnO系气体感应元件对还原性气体具有高灵敏度。 由于其工作温度比SnO2系气敏元件高约100，因此SnO2系元件的应用并不普遍。 同样，为了提高ZnO系元件对气体的选择性，还需要添加Pt和Pd等添加剂。 例如，在ZnO中添加Pd时，对H2和CO显示高灵敏度的丁烷(C4H10 )、丙烷(C4H8 )、乙烷(C4H6 )等链烷系气体的灵敏度低。 在ZnO中添加Pt的话，链烷系气体有高灵敏度，另外碳含量越多灵敏度就越高，H2和CO气体的灵敏度就越低。 三、气体传感器的应用，气体传感器的应用广泛，能制造液化石油气、天然气、城市燃气、煤矿气体、有毒气体等报警器。 也可以用于大气污染的监测和医疗上的O2、CO2等气体的测定。 在生活中可以用于空调机、烹调装置、酒精浓度检测等。 (1)、电源电路的一般温感元件的工作电压不高(3V10V )，必须供给其工作电压，特别是加热后的电压，使其稳定。 否则，加热器的温度变化幅度过大，气体感应元件的工作点会漂移，影响检测的正确性。 (2)、辅助电路根据温感元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初始稳定性等)，在设计制作应用电路时应该考虑。 如果采用温度补偿电路，则设置了可以减少温感元件温度系数引起的误差的延迟电路，使用加热器故障报告电路，防止在通电初期，气体感应元件的电阻值大幅度变化而发生误报，防止加热器故障引起的警报泄漏。 (3)、检测动作电路是气体感应元件应用电路的主体部分。 下图为具备串联蜂鸣器的应用电路。 随着环境中可燃性气体浓度的增加，气体感应元件的电阻值下降到一定值后，蜂鸣器中流过的电流发出足够的警报信号以推进其动作。 220V，220V，氖管，家庭可燃性气体报警器电路，气体探测器，蜂鸣器，b，r，情况1 .气体报警器，各种可燃性气体，容易爆炸的气体，有毒气体，有害气体的检测和警报可以通过各自的气体探测器及其相关电路实现，例如气体成分检测器，气体家用煤气报警器，下图是最简单的家用煤气报警器电路。 气-电转换器件采用了测试电路高电压的直热型气体感应元件TGS109。 当室内的可燃性气体增加时，气体感应元件与可燃性气体接触，电阻值下降，因此电路中流过的电流增加，能够直接驱动蜂鸣器警报。在设计警报时，合理地选择开始警报的浓度，选择得低，灵敏度高，容易发生误报，过高的话，容易导致报警泄漏，不能产生报警效果。220V，氖管，家庭用可燃性气体警报器电路，气体传感器，蜂鸣器，b，r，情况2 .酒精传感器，图是酒后驾驶防止控制器的概念图。 图中的QM-J1是酒精感应元件。 司机没有喝酒的情况下，若在驾驶室内接通开关s，则气体感应器的电阻值高，Ua为高电平、U1低电平、U3高电平、继电器K2线圈停电，其常闭接点K2-2闭合，发光二极管VD1接通，点亮成绿色，开始发动机防止饮酒后驾驶控制器的电路图，情况3 .防止饮酒后的驾驶控制器，司机饮酒后，气体感应器的电阻值急剧下降，Ua为低电平、U1高电平、U3低电平、继电器K2线圈通电、K2-2常开触头接通、发光二极管VD2通、红色司机拔出气体传感器后，继电器K1的线圈断开，常开接点K1-1断开，发动机不启动