《传感器技术与应用》课件-项目3任务1家用厨房可燃气体的检测

项目3家用厨房可燃气体的检测传感器技术与应用任务导学家用厨房可燃气体的检测理论分析任务导学单任务名称家用厨房可燃气体的检测任务编号CGQ0306任务内容通过家用厨房可燃气体的检测案例，使学生能掌握气体检测点设置方法，家用气体成分的测量、气敏元件和气敏测试电路。学习《JJF(津)11-2020气敏传感器测试仪校准规范》和《GB15322.2-2019可燃气体探测器

第2部分：家用可燃气体探测器》，掌握气敏传感器的使用规范和校准规则。技术标准、质量要求知识要求1.掌握气敏传感器的结构、分类、测温范围及性能；

2.掌握具体的气敏测试电路。能力要求1.能够分析不同气敏传感器的工作原理并进行测量。

2.能根据实际的应用场合，选择合适的气体测量电路。素质要求1.阅读国标要求，掌握气敏电路操作的规范性和安全性。

2.理解掌握可燃气体检测与生产安全的关系。如何有效识别煤气泄漏？家用厨房可燃气体检测问题分析可燃气体传感器对比家用厨房可燃气体的检测理论分析特性指标半导体型催化燃烧型红外吸收型激光型（TDLAS）检测范围0-5000ppm0-100%LEL0-100%Vol0-100%Vol精度±10%±2%FS±1%FS高精度响应时间<20秒<30秒<10秒<10秒使用寿命8-10年2-3年5-10年8-10年抗干扰能力差（易误报）中等强极强选择性差中等好极好中毒风险不易中毒易中毒（硫、硅）不中毒不中毒维护成本低中等（需定期校准）低中等制造成本低中等较高高适用场景家用报警器工业定量检测家用/工业通用高端/特殊需求

气敏传感器特点灵敏度较高，达10-6～10-3数量级，无需放大；可检测到可燃气体爆炸下限的1/10，用于泄漏报警;

响应速度较慢。

气敏传感器用于检测工业现场、环境气体浓度和成份工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；容器或管道泄漏的检漏；

酒后驾车的乙醇浓度检测；环境中的有害、有毒气体监测；空气净化、家电用品、宇宙探测；牙医口臭检查。

家用厨房可燃气体的检测不同气体需采用各种不同气敏传感器的检测仪器一氧化碳（CO）矿用气体检测仪

天然气、煤气等易燃易爆的安全监测酒后驾车的乙醇浓度检测二氧化硫（SO2

）测试仪二氧化碳（CO2）检测仪氩气（Ar2

）检测分析仪

容器或管道泄漏的检漏可燃气体检漏仪甲烷遥距测试仪可燃气体检测仪智能型甲烷检测报警仪便携式甲醛检测仪

环境中的有害、有毒气体监测空气质量检测仪

传感器原理及应用半导体气体传感器按检测对象分类由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用同一种气体传感器测量所有气体；所以检测不同气体需要选用不同型号的气敏传感器。按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型半导体气敏传感器按工作原理分类电阻型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。氧气是具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体——电子接收性气体；氢、碳氧化合物、醇类等是具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体——电子供给性气体。3.1.1电阻型半导体气敏传感器氧气氢气---+++半导体电阻变化气体氧化反应还原反应当氧化型气体吸附到N型半导体上，使载流子减少，电阻率上升；当还原型气体吸附到N型半导体上，载流子增多，电阻率下降；当氧化型气体吸附到P型半导体上，载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到P型半导体上，载流子减少，电阻率上升；3.1.1电阻型半导体气敏传感器

气体与（N、P型）半导体接触时情况N型半导体多电子；

P型半导体多空穴

氧化型气体接收电子；还原型气体供给电子N--氧N----氢P++半导体是一种多晶材料，晶粒大小约为10-6cm，一个器件是由许许多多小颗粒组成，在晶粒连接处形成许多晶粒间界；正是这些晶粒间界的性质决定着多晶材料的导电特性，整个半导体块的电导由这些间界的导电性能决定的。(1)电阻型半导体气敏传感器工作机理

气敏材料敏感机理n-SnO2气敏传感器是目前工艺最成熟的气敏器件，这种传感器以多孔质SnO2陶瓷为基本材料，添加不同催化剂，采用传统制陶方法进行烧结。

空气中—高阻状态由于空气中的氧化的作用，半导体（N型）材料的电子电荷被氧吸附，结果使传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；空气中—氧化作用—氧吸附半导体电子—电阻增加。气敏器件与被测器体接触—电阻减小当气敏元件与被测气体(氢、醇类)接触时，会与传感器表面吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。与气体接触时—吸附的气体与氧发生反应—电子释放—电导增加，电阻减小。

以N型半导体为例：通常气敏器件工作在空气中N--氧N--氢--

3.1.1电阻型半导体气敏传感器

气体与N型半导体接触时情况N型半导体与气体接触时的氧化还原响应电阻型半导体气敏传感器的导电机理用一句话描述：

利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化检测出气体的种类和浓度。电阻式气敏传感器可用于检测可燃气体，所以又称热效率探测器。(1)电阻型半导体气敏传感器工作机理

电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件。

电阻型传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。气敏电阻的材料是金属氧化物；合成时加敏感材料和催化剂烧结；按制造工艺分为烧结型、薄膜型、厚膜型

金属氧化物有:N型半导体SnO2Fe2O3

ZnO

TiO2P型半导体Co3O4

PbOMnO2Cr2O3

(2)电阻型半导体气敏传感器结构特征电阻型气敏传感器封装这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后才显示气敏特性。电阻式气敏传感器可以等效为电阻ABFF’AB电阻型气敏元件及符号(2)电阻型半导体气敏传感器结构特征

在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，因此，电阻型结构的气敏元件都有电阻丝加热器。气敏传感器电路符号加热方式分为直热式和旁热式直热式(加热丝与测量丝埋入氧化物中烧结),

特点是成本低，但受气流影响，稳定性差.旁热式(加热丝放在陶瓷管内,管外金属电极涂上氧化物),加热丝与气敏材料不接触,避免测量回路与加热回路的相互影响,减小环境温度的影响.国产同类产品：直热式-QN型；旁热式-MQ型.气敏元件加热作用有两个：一是可以加速气体吸附和氧化还原反应，提高传感器的灵敏度和响应速度；二是烧掉附着在壳面上的油雾、尘埃。

电阻型气敏元件在加热状态下工作加热时间2～3分钟；加热电源一般为5V；加热温度200～450℃。ABFF’(3)电阻型半导体气敏传感器特性参数a.固有电阻Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值称为固有电阻Ra

，固有电阻值一般在几十kΩ到数几百kΩ范围内。气敏传感器的分辨率反映气体元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力，即b.分辨率式中，Ugi在规定浓度下，元件在第i种气体中负载电阻上电压。c.灵敏度——

表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：电阻灵敏度:气敏元件的固有电阻Ra与在规定气体浓度下气敏元件的电阻Rg之比为电阻灵敏度，即气体分离度:气体浓度分别为g1、g2时，气体元件的电阻Rg1、Rg2之比为气体分离度，可表示为电压灵敏度，气敏元件在固有电阻值时的输出电压Ua与在规定浓度下负载电阻的两端电压Ug之比为电压灵敏度d.时间常数

从气敏元件与某一特定浓度的气体接触开始，到元件的阻值达到此浓度下稳定阻值的63.2%为止所需要的时间称为元件在该浓度下的时间常数。e.恢复时间tr由气敏元件脱离某一浓度的气体开始，到气敏元件的阻值恢复到固有电阻Ra的36.8%为止所需要的时间称为元件的恢复时间tr。(4)电阻型半导体气敏传感器基本测量电路特性气敏传感器测量电路

测量电路是将元件电阻的变化转化成电压电流的变化。测量电路包括加热回路和测试回路两部分：

A、B端为传感器测量电极回路，F、F’引脚为加热回路。

加热电极F、F’电压UH=5V，A-B之间电极端等效为电阻Rs，负载电阻RL兼做取样电阻；

可见输出电压与气敏电阻有对应关系

负载电阻上输出电压为：（5）应用

5V（半定量）信号M（5）应用

LM3914—LED驱动器集成电路内部电路

条形LED器件封装预防瓦斯爆炸报警电路LC179型三模拟声报警专用集成电路,内部集成了功率放大器,可直接驱动扬声器发声。VD为晶闸管做电源控制。MQS2B传感器火灾报警电路IC1为比较器，检测电池电量，正常输出高，振荡器工作；

IC2检测信号阈值比较器，接传感器（15脚）信号；无信号时IC2输出低；有气体时当信号输入小于阈值电压IC2翻转输出高；驱动10-11报警，5脚LED发光。报警输出LED驱动信号防酒后驾车汽车点火电路

继电器J1-1、J1-2常开结点,J2-1常闭结点,J2-2常接VD1（绿灯）,VD2（红灯）

S闭合，无酒精时，J1闭合点火;气敏电阻高，Ua高Uo低，555输出高，J2无电流；有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，555输出低，J2吸合，J2-1断开，不启动；若司机拔出气敏传感器，J1断电J1-1断开无法启动。J1-2气敏元件加热回路555触发器电源开关酒精

3.1.2非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器主要类型：利用MOS二极管的电容—电压特性变化；利用MOS场效应管的阈值电压的变化；利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化。非电阻型半导体气敏传感器利用晶体管参数进行气体检测，多为氢敏（氢气敏感）传感器。特点是：用特定材料对某些气体敏感。工艺成熟、易集成、价格便宜，在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作栅电极。氧化层（SiO2）电容Ca是固定不变的。而硅片与氧化层界面电容Cs，总电容C

为Cs与Ca串联，Cs是外加电压的功函数，C也是偏压U的函数。MOS二极管等效电容C随电压变化。金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附H2以后，使Pd电极的功函数下降，使MOS管C—U特性向左平移，利用这一特性用于测定氢气的浓度。MOS二极管元件结构MOS二极管C—U特性MOS二极管气敏元件等效电路

（1）MOS二极管气敏元件（电容—电压）Pd吸附H2后Pd电极的功函数下降

UGS>UT（阈值电压）时栅极氧化层下的硅从P变为N型，N型区将S（源）和D（漏）连接起来，形成导电通道，MOSFET进入工作状态。在电压UDS作用下D-S有电流IDS流过。

IDS随UDS、UGS变化；当UGS<UT时沟道没形成,无漏源电流,IDS=0。UT称为阈值电压UDSD漏G栅S源UGSIDS（2）MOSFET(场效应管)气敏元件钯Pd—MOSFET管结构与工作原理DGSbUTIDSUGSN沟道MOSFET，当栅（G）源（S）间加正向偏压（电场作用下空间电荷区逐渐增大）-----（2）MOSFET(场效应管)气敏元件阈值电压UT大小与材料有关外，与金属与半导体间的功函数有关。Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起Pd功函数降低。Pd—MOSFET器件就是利用H2在钯栅极吸附后改变功函数使UT下降引起漏-源电流的变化检测H2浓度。氢气扩散到钯-硅介质边界时形成电偶层，从而使MOS场效应管的阈值电压下降，当渗透到鈀中的氢气被释放逸散时，阈值电压恢复常态。

Pd利用金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管，具有整流特性。特点：加正偏压时半导体金属二极管的正向导通电阻极小，结电压UD＜0.2V，相当短路；加负偏压时UD很大相当开路几乎无电流。由于金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度Eg，二极管正向偏压条件下，气体浓度↑电流↑输出电压UR↑

。当金属与半导体界面有气体时，界面势垒降低，电流变化（上升）。UDIDU（3）肖特基二极管

非电阻型半导体气敏器件主要用于氢气浓度测量。氢3.1.2非电阻型半导体气敏传感器

国产非电阻型半导体气敏器件-3DQH3DOH1氢敏场效应管传感器只对氢气敏感，对其它气体表现为惰性，可用于氢气含量和管道煤气（含50%的氢气）泄露。鈀栅MOS管灵敏度会随工作温度的升高而升高，因此在同一芯片上加有热电阻和测温二极管，三者公共端为S，工作温度100℃。3DJ6和R2构成100μA恒流源，作3DOH1的偏置电流，R1

调节加热电流，R3，R4提供比较器基准电压，当检测到氢气时输出电流增加，30s左右蜂鸣器报警。提醒人们切断气源。

白金线外壳为催化金属电阻式气敏传感器又称热效率探测器,用于检测