《传感器技术及应用》-学习情境5

信息单5.1气敏传感器气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器，将检测到的气体成分和浓度转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。作为一种重要的气体探测器，气敏传感器近年来得到了很大的发展，气敏传感器的主要检测对象及应用场所如表5-1所示。在现代生活中，气敏传感器可以起到以下作用。(1)防止突发事故。(2)提高生活环境质量，改善生活条件。下一页返回信息单(3)生产过程中的产品质量保证。(4)其他。由于气敏传感器是暴露在检测现场使用，工作条件比较恶劣，温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差，因此要求气敏传感器的性能必须满足下列条件。(1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其他气体不响应。(2)对被测气体应具有高的灵敏度，能检测规定范围以内的气体的体积分数。(3)信号响应速度快，再现性高。上一页下一页返回信息单(4)长期工作稳定性好。

(5)制造成本和使用价格低廉。

(6)维护方便。一、气敏传感器的分类气敏传感器的研究开发从20世纪30年代就开始了。过去气敏传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前气敏传感器的应用已经扩展很多，比如检测大气污染的程度、控制食品发酵过程、检验司机醉酒程度等。上一页下一页返回信息单气敏传感器种类繁多，按所用气敏材料及气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式、集成复合式等，现在还有应用非常广泛的烟雾传感器和红外气敏传感器。图5-2为部分气敏传感器的外形。二、半导体型气敏传感器半导体型气敏传感器主要使用半导体气敏材料，是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物理性质的变化来检测待测气体的成分和浓度。半导体金属氧化物气敏传感器具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长、价格低等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。上一页下一页返回信息单

1.半导体型气敏传感器的分类按照半导体与气体相互作用时产生的变化是只限于半导体表面还是深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变;第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，根据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他参数。按照制作材料来分，可分为SnO2系列、ZnO系列、Fe2O3系列等。上一页下一页返回信息单按照被测气体来分，可分为氧敏器件、酒敏器件、氢敏器件等。按制作方法和结构形式又可分为烧结型、薄膜型、厚膜型等。表5-2为半导体气敏元件的分类。

2.半导体气敏传感器的机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。当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则吸附分子将从器件中夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。上一页下一页返回信息单半导体气敏元件有N型和P型之分。图5-3为气体接触到N型半导体时产生的阻值变化曲线。空气中氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度变化而变化，从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。图5-4所示为典型气敏元件的阻值一浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。上一页下一页返回信息单3.电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器大多使用金属氧化物半导体材料作为气敏元件。因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。半导体气敏传感器一般由3部分组成:敏感元件、加热器和外壳。上一页下一页返回信息单按其制造工艺可分为烧结型、薄膜型和厚膜型等几种，如图5-5所示。

图5-5(a)所示为烧结型气敏元件，烧结型气敏元件是目前工艺最成熟、应用最广泛的气敏元件。

图5-5(b)所示为薄膜型气敏元件，通常是在基片的正面预溅射一对铂材料的叉指电极，以测量薄膜的电导率;在基片的背面再镀一层铂，用来加热;然后再在电极上用特定的沉积方法制作金属氧化物薄膜(厚度在100nm以下)，经烧结、退火等热处理后将该器件安装到标准设计的机座中。图5-5(c)所示为厚膜型气敏元件，厚膜型气敏元件是将SnOZnO等氧化物气敏材料与3%~15%(重量)的硅凝胶混合，上一页下一页返回信息单并加入适量的催化剂制成糊状物，然后将该糊状混合物印刷到事先安装有铂电极和加热元件的A2O3基片上，待自然干燥后在400℃~800℃的温度下烧结1~2小时制成。用厚膜工艺制成的器件不仅机械强度高，各传感器间的重复性好，适合于大批量生产，而且生产工艺简单，成本低。这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到200℃~400℃。上面提到的气敏元件都属于表面电阻控制型，除此之外，目前还有体电阻控制型半导体气敏器件。上一页下一页返回信息单体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时，引起器件体电阻改变的原因比较多。对热敏型气敏器件而言，在600℃~900℃下，在半导体表面吸附可燃性气体时，由于这类器件的工作温度比较高，被吸附气体燃烧使器件的温度进一步升高，因此，半导体的体电阻发生变化。另外，很多氧化物半导体，由于化学计量比的偏离，尤其是化学反应强而且容易还原的氧化物，在比较低的温度下与气体接触时晶体中的结构就发生变化，继而体电阻发生变化，因此可以检测各种气体。结构如图5-6所示。典型三氧化二铁气敏特性如图5-7所示。图中表明:它对异丁烷和丙烷很灵敏，适合探测液化石油气。上一页下一页返回信息单

4.非电阻型半导体气敏传感器1)Pd-TiO2气敏二极管这是一种金属一半导体接触元件，用金属把(Pd)和半导体材料二氢化钛(TiO2)制成，使其金属一半导体界面能够吸收气体，从而影响半导体禁带宽度，则二极管的单向导电性会因气体浓度不同而发生变化，由此便可检测气体。

2)MOS二极管气敏器件这是一种用MOS二极管的电容一电压关系(C-U特性)来检测气体的敏感器件。图5-8表示这种气敏器件的结构。图5-9表示这种气敏器件C-U特性的测试例子。上一页下一页返回信息单

3)MOSFET气敏器件MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应)气敏器件具有产品一致性好、体积小、重量轻、可靠性高、气体识别能力强、便于大批量生产、与半导体集成电路有较好的工艺相容性等许多优点，日益受到人们的重视。它是利用半导体表面效应制成的一种电压控制型元件，可分为N沟道和P沟道两种，N沟道MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应)气敏器件的结构如图5-10所示。它是由P型硅半导体衬底，两个间隔很近(约10μm)的N区、二氧化硅绝缘层及覆盖在二氧化硅表面的金属栅组成。5.半导体气敏传感器的气敏选择性选择性是检验气敏传感器是否具有实用价值的重要尺度。上一页下一页返回信息单由于各种还原性气体的最佳氧化温度不同，因此首先可以通过改变氧化物传感器的工作温度来提高其对某种气体的选择性。

SnO2传感器在低温条件下不但对乙醇很敏感，对CO和H2也很敏感，因此，仅通过改变传感器工作温度所能达到的气敏选择性是有限的。所以必须消除混合气体中欲单独检测气体以外气体的干扰。其中一个很有效的措施是通过使用某种物理的或化学的过滤膜，使单一气体能通过该膜到达氧化物半导体表面，而拒绝其他气体通过，从而达到选择性检测气体的目的。提高传感器气敏选择性的最有效、最常用的手段是利用某些催化剂能有选择性地对被测气体进行催化氧化的原理来实现。上一页下一页返回信息单通过选择合适的催化添加剂，可使由同一种基本氧化物材料制成的气敏传感器具有检测多种不同气体的能力。三、接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器主要用来检测可燃性气体，检查范围从百分之几到0.1%。它是根据气体燃烧发出热量而引起的检测元件的温度升高和电阻变化来测量气体浓度的。它的结构如图5-11(a)所示。在铂丝线圈上涂有氧化铝等材料制成球状物进行烧结，再在外表面敷设铂(Pt)、钯(Pd)和锗(Rh)等稀有金属催化剂。对铂丝通电加热到300℃~400℃，此时如果检测元件与可燃性气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，稀有金属催化层和铂丝线圈的温度就会上升，使得铂丝线圈的阻值发生变化，上一页下一页返回信息单这种阻值变化与可燃气体的浓度是成正比的。图5-11(b)为接触燃烧式气敏传感器的电桥测量电路，D为气敏传感器，C为补偿元件，二者结构完全一样，只是C表面不敷设催化剂活性物质，呈现白色，故又称白元件，而D称为黑元件。这种电桥可消除环境温度、电源、电压波动带来的测量误差。铂丝线圈阻值的变化破坏了电桥的平衡，其输出的不平衡电压或电流与可燃气体的浓度是成比例的，检测出这种电压或电流就可测得可燃气体的浓度。接触燃烧式气敏传感器在环境温度下非常稳定，受温度、湿度影响小，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警，但是也有一定的缺点，比如对低浓度可燃气体灵敏度低等。上一页下一页返回信息单四、固体电介质式气体传感器固体电解质气敏传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。这种传感器内部不是依赖电子传导，而是气敏材料在气体通过时产生离子，从而形成电动势，通过测量电动势即可测量气体浓度。由于这种传感器电导率高、灵敏度和选择性好，在石化、环保、矿业等各个领域，得到了广泛的应用，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。五、电化学式气敏传感器电化学式气敏传感器一般采用装隔膜的结构，这种结构可以提高选择性，防止电极表面沾污，保持电解液干净，这种传感器具有使用方便、廉价，且选择性好等优点，是目前发展较快的一种气敏传感器。上一页下一页返回信息单常见的电化学式气敏传感器有3种结构:离子电极式、恒电位电解式和伽伐尼电池式。1.离子电极式传感器离子电极式气敏传感器的工作原理是:气态物质溶解于电解质溶液并离解，离解生成的离子作用于离子电极产生电动势，将此电动势取出以代表气体浓度。这种方式的传感器是由作用电极、参照电极、内部溶液和隔膜等构成的。现以检测NH3传感器为例说明这种气敏传感器的工作原理。其基本结构如图5-12所示，作用电极是可测定pH值的玻璃电极，参照电极是Ag/AgCI电极，内部溶液是NH4CI溶液.上一页下一页返回信息单NH4Cl离解，产生铰离子NH4+，同时水也微弱离解，生成氢离子H+，而NH4+与H+保持平衡。根据能斯特(Nernst)方程，H+浓度产生的电动势E可用下式表示:2.恒电位电解式传感器恒电位电解式气敏传感器的原理是:使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。对特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随电解时作用电极的材质、电解质的种类不同而变化。电解电流和气体浓度之间的关系如下:上一页下一页返回信息单在同一传感器中，n,F,A,D及δ是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比。以CO气体检测为例来说明这种传感器的结构和工作原理。其基本结构如图5-13所示，在容器内的相对两壁，安置作用电极和对比电极，其内充满电解质溶液构成密封结构，再在作用电极和对比电极之间加以恒定电位差而构成恒压电路。3.伽伐尼电池式传感器伽伐尼电池式气敏传感器与上述恒电位电解式一样，通过测量电解电流来检测气体浓度。上一页下一页返回信息单但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传感器主要是用于O2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感器。以O2检测为例来说明这种传感器的构造和原理。其基本结构如图5-14所示。上述的传感器大都是以水溶液作为电解质溶液的，它存在一些缺点，例如使用寿命短，漏液腐蚀电子线路，电解液的用量不能太少而限制了该类传感器的微型化等，随着对电化学传感器的进一步研究和深入发展，人们将注意力转向固体电解质。目前已有有机凝胶电解质气体传感器、固体聚合物电解质气体传感器等，使得电化学式气敏传感器在便携式传感器中占有了很重要的地位。上一页下一页返回信息单六、烟雾传感器烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮在空气中形成的，和一般气体成分的分析不同，必须利用微粒的特点来检测，这类传感器通常用于火灾报警。根据检测原理不同，烟雾传感器通常有两种:散射式和离子式。1.散射式烟雾传感器散射式烟雾传感器结构如图5-15所示，在发光管和光敏元件之间设置一个遮光装置，没有烟雾时，光敏元件接收不到光信号，没有信号输出;有烟雾出现时，发光管借助于烟雾微粒的散射作用使光敏元件发出电信号。这种传感器的灵敏度与烟雾种类无关。上一页下一页返回信息单2.离子式烟雾传感器离子烟雾传感器的工作原理如图5-16所示，放射式同位素媚(Am241放射出微量的α射线，使附近的空气电离，当平行板电极间有直流电压时，产生离子电流IK。当有烟雾出现时，烟雾微粒将离子吸附，离子的减少使离子电流IK减小。若有一个装有纯净空气的离子室作为参照，将两者之间的离子电流做比较，就可以得到检测结果。七、红外线气敏传感器红外线气敏传感器是利用气体对红外线的吸收而制成的，具有灵敏度高、分析范围广、选择性好等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。红外线具有以下两个特征。上一页下一页返回信息单(1)由于各种物质的分子本身都有一个固有的振动频率，只有在红外光谱的频率与分子本身的固有频率一致时，这种分子才能吸收红外光谱的辐射能，所以各种气体并不是对红外光谱范围内的所有波长的辐射能都具有吸收能力，而是有选择性的，即不同的分子混合物只能吸收某一波长范围内的红外辐射能。

(2)当红外线作用于物质的时候，红外线的辐射能被吸收，并转换成其他形式的能量，气体在吸收红外辐射能后，温度升高，红外线辐射能随着气体浓度的增加而下降。总之，气体对不同波长的红外线具有选择吸收的能力，其吸收的强度取决于待测气体的浓度。上一页下一页返回信息单红外线气敏传感器的原理如图5-17所示，传感器由两个并列的结构相同的光学系统组成，一个叫比较腔，另一个叫测量腔，两腔以一定周期同时或交替开闭电路，在测量腔光路中导入被测气体。由于被测气体特有的波长吸收，从而使透过测量腔这一光路而进入红外检测器的光通量减少。由于透过比较腔一侧的光通量一定，进入传感器的光通量也一定。因此，被测气体浓度愈高，通过测量腔和比较腔的光通量差也越大。由于测量腔和比较腔以一定周期同时开闭，这个光通量振动的振幅就射入到传感器。光通量的振动被传感器内封入的气体吸收变成温度的周期变化，而在密闭容器内又变成压力周期变化。这种压力变化用电容式微音器来探测，再经放大、整流，最后由电流计指示出气体浓度。上一页下一页返回信息单5.2气敏传感器的应用一、可燃气体泄漏报警器图5-18所示为一种简单、廉价的家用煤气、液化石油气报警电路。该电路能承受较高的交流电压，因此，可直接由220V市电供给，且不需要再加复杂的放大电路，就能驱动蜂鸣器等来报警。由该电路的组成可见，蜂鸣器与气敏传感器的等效电阻构成了简单串联电路。当气敏传感器探测到泄漏气体(如煤气、液化石油气)时，随着气体浓度的增大，气敏传感器的等效电阻降低，回路电流增大，超过危险的浓度时，蜂鸣器发出报警声。二、酒精测试仪上一页下一页返回信息单酒后驾驶是发生交通事故的诱因之一，下面的防止酒后开车控制器可以有效地避免自己酒后驾车。图5-19所示即为防止酒后开车控制器原理图。三、厨房自动换气扇自动换气扇是采用气敏传感器对厨房内气体进行检测，根据检测结果对换气扇进行控制的一种自动装置。它由气敏传感器、TWH8751开关集成电路、电源及换气扇等组成，如图5-20所示。气敏传感器接触可燃性气体时其阻值自动下降，当厨房内可燃性气体达到一定浓度时，IC1第2脚由原来的高电平降为低电平，第4脚输出转为高电平，使继电器K工作，继电器的常开触点闭合，使换气扇电机转动，排换厨房内的空气。上一页下一页返回信息单电位器RP1为灵敏度调节器，用来选择需要换气时的可燃性气体浓度。5.3555定时器简介

555定时器是一种常见的中规模模数混合集成电路，使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。根据内部结构的不同，555定时器可分双极型和CMOS型，型号分别为NE555/50555等和07555等，其结构和工作原理基本相同。一、555定时器的电路组成和功能555定时器的内部原理电路如图5-21所示，图5-22为引脚排列图。

555定时器的基本组成包括:有3个电阻组成的分压器，两个电压比较器C1和C2一个基本RS触发器，三极管VT组成的放电电路。上一页下一页返回信息单我们可以得到555定时器的功能表，见表5-3。二、555定时器的基本应用555定时器的应用非常广泛，主要有3种基本的电路形式:施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。1.用555定时器接成的施密特触发器施密特触发器是一种脉冲信号变换电路，常用来实现整形和鉴波。它可以将符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波。将555定时器的两个输入端连接在一起作为信号输入端，如图5-23所示，即可构成施密特触发器。2.用555定时器接成的单稳态触发器上一页下一页返回信息单单稳态触发器也有两个状态，一个稳定状态，一个暂稳状态。当没有触发脉冲时，单稳态触发器处于稳定状态;当出现触发脉冲时，单稳态触发器从稳定状态变为暂稳状态，暂稳状态保持一定时间后，自动返回稳定状态。用555定时器接成的单稳态触发器如图5-24所示。接下来我们结合图5-25所示波形来看电路的工作原理。1)稳定状态2)进入暂稳态3)自动返回稳定状态

3.用555定时器接成的多谐振荡器