西北大传感器原理与应用讲义第5章 气敏传感器

1工厂研究所农林某些机关民用厨房集体住宅群各各种气体工农业气敏元件油气可燃气NOXNOHCN可燃气有机气环保安全有害气各种气体工业农业船舶地铁等大气污染锅炉及引擎医院或气敏元件在空气中的阻值R0与在被测气体中的阻值：K2可燃性气体，2O32O3、CoC3、CO3O4、等2O3-ZrO22O3-TiO234I5PbCl2、PbBr2、K2SO4、Na2SO4、β-Al2O3、2CO33)20.95Yb0.05O3 SO3、CO、NOx、2O式型红外吸收型、石英振荡型、光导纤维型、热传导型、异质35.2表面电阻控制型气敏传感器----外界气体引起材料的表面电阻发生变化4加热器直接与材料接触，工艺简单，但影响寿命，加热电极一端是信号使用：加热到敏感温度，保持一定时间，放343412SnO2SnO2信号电极加热器兼烧结体（a）芯片的结构（b）符号使用：加热到敏感温度，保持一定时间，放5输出电压(V)输出电压(V)Au电极123------6R/Rs0-----R/R50-R/Rs0-----R/R50---0.2ooC(ppm)0.6-oo----1.0-0.6--1000200030000.2-0COH2i-C4H10C(ppm)-7输出电压（V)---输出电压（V)Pt输出电压（V)---输出电压（V)Pt催化剂C4H10---3ppm)0C3H80H2C4H10C3H8-63ppm)Pd催化剂88Ra/Rg催化剂被测气体i-c4H1o无ptpdRnpt-PRn-P2.6①气体浓度2000ppm,工温度350℃（mV)（mV)输出电压CH烟5--工作温度(℃)9RuRuO2电极ZnORuO2电极铂铱(3.23.2mm2o.23mm厚）（a）(b)(c)(b)SnSnO2S=19ZnOS=22WO3S=25§5.3体电阻控制型气敏传感器通过与气相气体的反应，使半导体的体组成或价态发生变化，从而使电导率2O32O3>108Ω>108Ω将获得电子，而使得部分三价铁离子（Fe3+）被还原成二价铁离子（Fe3++e-n50002000-50002000-1000-500-200-100-50-电阻(KΩ)加热器功率1.3W环境温度40oc电阻(KΩ)R0CH4(2000ppm)H2(2000ppm)异丁烷(2000ppm)--20406080100%RH环境湿度----------THRs--氧敏器件,Rc--温度补偿器件），催化剂对灵敏度改进如图：可以看出，没有催化剂的氧敏器件电阻值随），---1λ=空燃比化学计量比的空燃比二、空气过剩率(λ)与电阻、电动势间的静态特性：-----4001.01.5------------------1.51.00.5ZrO22000.5-TiO2200--------Nb2O5108---度-400-2004001.00.51.0-气1021.51.5-0.51.0时间(sec)响应时间(ms)--响应时间(ms)--200空气不足空气过剩Nb2O5TiO2150-ZrO2100-50-0200400600气体温度(oC)0将金属与半导体接合做成二极管会产生整流作用。目前常用的有----P----PdTiO2-1.0电流（电流（mA/cm）-0.5a.b.cg00.51.0--1电压（V）---2-3空气中氢气浓度（ppm）a-0b-14c-140d-1400e-7150f-10000g-150002.Au—TiO2结型气敏传感器：在常温下选择性地对硅烷(SiH4-----利用MOS二极管的电容—电压特性的变化制成的CCxCCxPd硅d场效应晶体管是一种单极性晶体缘层中，就会形成一个电场。在此电场的作用下，P型硅衬底内的电子，被利用这一特性，当栅极吸附了被测气体后，栅极（金属）与半导体DDVTVT=VTVGS(V)0VTVTVV(mV)600-500-400-300-200-100--H2(%)若要求几秒钟或者更短的响应时间，一般须选择120～150℃的工作温ID=β(VG_VT)2式中：ID为源漏极之间电流，VG为栅源之间电压，VT为晶体管开NH3NH3）（00Ni00§5.5集成薄厚膜及复合型气敏传感器PePeO+TiD玻璃板SnO或WO4H10该结构优点是：可通过不同敏感膜，对气体进行选择性检测；可以选用多种材料印刷成敏感膜；容易实现器件敏感膜和加热器的集成化，可作成小型化、低电压工作的器件；器件温度特性好；易于组装；成本低、易于批量0G/G0G/G20.50.0G/G0G/G20.50.33005001000酒精浓度(rpm)(a)sn02厚膜电导与气体浓度关系(b)Wo2厚膜电导与气体浓度关系(c)LaNi02厚膜电导与气体浓度关系554321CH4/CO气体混合比（Vol%）（d）SnO2厚膜电导与混合气体气体浓度关系CH4/C2H50H气体混合比（Vol%）（d）SnO2厚膜电导与甲烷，酒精混合气体气体浓度关系663环境气氛中氧压的变化迅速发生氧化还原反应，电导率也随之发生变化。利Pt.O2(Pm)/参比电极稳定ZrO2/电解质7O2(PR)这样，在参比电极A上一个氧分子吸附在电极上电极B给出4个电子，使测量电极带负电，即设T=700℃时，E=42.261lg图中除氧单元为分子筛高效脱氧，配氧单元为电化学氧化锆氧泵，测氧度的氧；最后通过测氧单元（I）测定其氧含量；进入气路（II）的气体++-瓷pO可燃性气体的样气中氧的分析结果(×10-6）1234567OO2ZrO2YzO3O2小帽VA扩散孔OI(μA)1000500氧浓度%02040608090400℃500℃01.02.0-ln(1-PO2)(amt)参比气体，可在较低温度下工作（400℃),氧浓度测量范围宽，有利于小型大气侧电极加热器大气侧电极加热器ZrO2固体电解质排气侧电极涂覆层排放气体rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr检流电阻护照极限电流型氧传感器的实际结电流（mA）电流（mA）氧气浓度0柱§5.7接触燃烧式气体传感器AlAlOPt丝触媒触媒0.8-2umD元件DAGCVR2式中ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化（燃烧热）引起的，而ΔRF可E=kmB其中B输出电压（mV）输出电压（mV）气敏元件F1和补偿元件F2的阻值比E=kmB气体浓度（)丙酮环丙烷0.20.40.60.81.0XLEL丙烷异丁烷用高纯铂丝绕制成线圈，外面涂以氧化铝的膏状涂覆层，干燥后烧结成§5.8其它类型传感器一、差动吸收法光纤远距离测量系统光纤光纤1光栅2怀特盒L1B.S.（1）L2滤光片PD2硅光二极管r2)r)数据处理记录显示PDPD1PDr2)λ光源1相对功率相对功率检检测LED参比LED入射光纤入射光纤透镜透镜半透反射镜出射光纤光电监测器透镜光纤探头---电容麦克型红外吸收式气敏传感器结构-包括两个构造形式完全相同的光学系统，其中一个红外光入射到比较槽，槽内密封着某种气体；另一个红外光入射到测量槽，槽内通入被测气体。当测量槽的待测气体光源待测气体光源加热器温度调节周期遮断光密封隔膜检出槽前置放大器测量槽输出测气体时，根据气体种类的不同，将对不同波长的红外光具有不同的吸收特性。同种气体而不同浓度时，对红外光的吸收量也彼此相异。因此，通过测待测气体待测气体测量槽红外光敏元件（量子型）放大显示可更换滤光片光源R6R6KRMFFR45其中F1、F2可用不带催化剂的由于热导率相异而使F1的温度变石英振子上蒸镀不同类型的材料，可检测出不同类型的气体，当振子暴露在可燃性气体中时，利用气体燃烧，振子温度升高，引起振动频率变化而检测ΔF=K.c气-磁传感器是一个微粒氧化铁经烧结而成的多孔性芯子和一支绕有感应线圈的石英反应管所组成。在一定温度下，待测气体通过反应管与氧化铁CuO+H2S→CuS+H2O如易燃、易爆、有毒、有害气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器AC100VAC100V150kTGS109100VBXBZ当可燃性气体浓度增加时，气敏器件的电阻值降检测电路原理图:T9014T9014CQM-N10SA12VDW6VBT201ABRP47KC20.018U257BLED5LED4LED3LED2LED17R35.1KAC1100R147k2D矿灯蓄电池为电灯自动闪光并发出报灯自动闪光并发出报RP为报警设定ZD10Ω/1W3AX81R21005μ3DG6RQABJC1fK1RP4.7kD2AP13)T13DG12BKR351k5μ4099200200μ25V7805AfRkC1100μ25VR