气敏传感器PPT幻灯片课件

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1、气敏传感器 1 气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器 在现代社会的生产和生活中 会接触到各种各样的气体 需要进行检测和控制 比如煤矿瓦斯浓度的检测与报警 环境污染情况的监测 煤气泄漏 火灾报警等等 一 气敏传感器简介 2 酒精传感器 二氧化碳传感器 家庭用煤气报警器 3 1 产生原因 在生产和生活中 都会遇到一些有害气体 为了确保安全 需对各种可燃性气体 有毒性气体进行检测 对于气体的检测也有助于及时调整 目前实用气体方法很多 其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便 费用低等特点 2 发展过程 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的 最先研制的是SnO2薄

2、膜元件 它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降 实现对可燃性气体检测 继而又发现在SnO2烧结体中添加Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度 1968年诞生了商品半导体气敏元件 其后 其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场 3 常用的气敏元件 SnO2半导体气敏元件 目前以TGS型和QM N5型气敏元件为主 二 气敏传感器的发展 4 三 气敏传感器的原理及分类 3 1分类 通常以气敏特性来分类 主要可分为 半导体型气敏传感器 电化学型气敏传感器 固体电解质气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 光化学型气敏传感器 高分子气敏传感器等 5 半导体气敏传感器元件材料 金属氧化物或金

3、属半导体氧化物 作用原理 与气体相互作用时产生表面吸附或反应 引起以载流子运动为特征的电导率 伏安特性或表面电位变化 借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度 并将其变换成电信号输出 应用范围 可用于检测气体中的特定成分 CO CO2 甲醛 酒精 氧气 氢气等 6 应用场合 一般用于易燃 易爆 有毒 有害气体的检测和报警 基本要求 1 对被测气体有高的灵敏度 2 气体选择性好 3 能够长期稳定工作 4 响应速度快 分类 按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还是涉及到外部分为表面控制型和体控制型 按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电阻式 7 电阻式半导体气敏传感器 其电阻随着气体含量不同而变

4、化 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器 是一种用金属氧化物薄膜 例如SnO2 ZnO Fe2O3 TiO2等 制成的阻抗器件 8 表面控制型电阻式半导体气敏传感器 当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化 1 结构与分类由气敏元件 加热器 封装部分组成 按制造工艺可分为烧结型 薄膜型 厚膜型 按加热方式分为内热式和旁热式 9 某气敏传感器的整体结构 10 1 烧结型将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中 经加热成型后低温烧结而成 目前最常用的是氧化锡 SnO2 烧结型气敏元件 它的加热温度较低 一般在200 300 SnO2气敏半导体对许多可燃性气体 如氢 一氧化碳 甲烷 丙烷 乙醇

5、等都有较高的灵敏度 11 2 薄膜型在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制成 厚度0 1 m以下 上下为输出电极和加热电极 中间为加热器 12 2 3工作原理元件加热到稳定状态 当有气体吸附时 吸附分子在气敏元件表面自由扩散 物理吸附 一部分吸附分子被蒸发掉 一部分吸附分子产生热分解固定在吸附处 化学吸附 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能 吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附 半导体载流子数增加 半导体电阻率减少 阻值降低 具有正离子吸附倾向的气体被称为还原性气体 例H2 CO 炭氢化合物和酒类等 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力 吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附 半导体载

6、流子数减少 电阻率增大 阻值增大 具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化性气体 例O2 NOx等 13 气敏电阻的原理图 14 当吸附还原性气体时 N型半导体的功函数大于吸附分子的离解能 吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附 半导体载流子数增加 半导体电阻率减少 阻值降低 当吸附氧化性气体时 N型半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力 吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附 半导体载流子数减少 电阻率增大 阻值增大 对于P型半导体器件 情况刚好相反 氧化性气体使其电阻减小 还原性气体使其电阻增大 15 半导体气敏元件的特性参数 1 气敏元件的电阻值将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值 称为

7、气敏元件 电阻型 的固有电阻值 表示为 一般其固有电阻值在 103 105 范围 测定固有电阻值 时 要求必须在洁净空气环境中进行 由于经济地理环境的差异 各地区空气中含有的气体成分差别较大 即使对于同一气敏元件 在温度相同的条件下 在不同地区进行测定 其固有电阻值也都将出现差别 因此 必须在洁净的空气环境中进行测量 16 2 气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标 它表示气体敏感元件的电参量 如电阻型气敏元件的电阻值 与被测气体浓度之间的依从关系 表示方法有三种 a 电阻比灵敏度K b 气体分离度RC1 气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值 R 2 气敏元件在浓度为C2

8、的被测气体中的阻值 通常 C1 C2 c 输出电压比灵敏度KVVa 气敏元件在洁净空气中工作时 负载电阻上的电压输出 Vg 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时 负载电阻的电压输出 Ra 气敏元件在洁净空气中的电阻值 Rg 气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值 17 4 气敏元件的响应时间表示在工作温度下 气敏元件对被测气体的响应速度 一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时 直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63 时为止 所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间 通常用符号tr表示 3 气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别 选择 以及对干扰气体的抑制能

9、力 气敏元件分辨率S表示为 Va 气敏元件在洁净空气中工作时 负载电阻上的输出电压 Vg 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时 负载电阻上的电压Vgi 气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时 负载电阻的电压 18 5 气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200 以上高温 为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻 指加热器的电阻值 称为加热电阻 用RH表示 直热式的加热电阻值一般小于5 旁热式的加热电阻大于20 气敏元件正常工作所需的加热电路功率 称为加热功率 用 表示 一般在 0 5 2 0 W范围 6 气敏元件的恢复时间表示在工作温度下 被测气体由该元件上解吸的速度 一般从气敏元件

10、脱离被测气体时开始计时 直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63 时所需时间 19 图中EH为加热电源 EC为测量电源 电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化 输出电压 信号电压 由电阻Ro上取出 特别在低浓度下灵敏度高 而高浓度下趋于稳定值 因此 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等 气敏元件的基本测量电路 3 1气敏元件的基本测量电路 三 气敏传感器的应用 20 1 电源电路一般气敏元件的工作电压不高 3V 10V 其工作电压 特别是供给加热的电压 必须稳定 否则 将导致加热器的温度变化幅度过大 使气敏元件的工作点漂移 影响检测准确性 2 辅助电路 在设计 制作应用电路时 应考虑气敏元件自身

11、的特性 温度系数 湿度系数 初期稳定性等 如 采用温度补偿电路 以减少气敏元件的温度系数引起的误差 设置延时电路 防止通电初期 因气敏元件阻值大幅度变化造成误报 使用加热器失效通知电路 防止加热器失效导致漏报现象 21 下图是一温度补偿电路 当环境温度降低时 则负温度热敏电阻 R5 的阻值增大 使相应的输出电压得到补偿 22 图为正温度系数热敏电阻 R2 的延时电路 刚通电时 其电阻值也小 电流大部分经热敏电阻回到变压器 蜂鸣器 BZ 不发出报警 当通电1 2min后 阻值急剧增大 通过蜂鸣器的电流增大 电路进入正常的工作状态 23 例1 家用可燃性气体报警器电路 图是设有串联蜂鸣器的应用电路

12、 随着环境中可燃性气体浓度的增加 气敏元件的阻值下降到一定值后 流入蜂鸣器的电流 足以推动其工作而发出报警信号 3 2应用举例 24 例2 实用酒精测试仪 测试驾驶员醉酒的程度 25 1 2010年9月四川大学化学学院张立春 罗兰等 基于催化发光的挥发性有机物气体传感器研究进展 里提到在应用领域里 为了能够完美准确的反映客观事物和环境 往往需要同时测量多种气体 在这里引入了 电子鼻 的概念 即一种阵列气体传感器 由一个交叉识别阵列传感器和相关的数据处理技术组成 并配以合适的模式识别系统 具有识别复杂气味的能力 四 有关气敏传感器近期的相关论文 2 中国水产2010年第12期 电子鼻技术及其在水产品新鲜度检测中应用 中 气味是鱼体新鲜度的一个最敏感的指标 研究表明 鱼肉鲜度与乙醇类 氨类等气体浓度有关 浙江大学采用pen2型电子鼻结合PCA 神经网络等方法识别不同储藏时间的牛肉 3 中国高新技术企业2010年第33期 基于MC68HC908JL3抽油烟机控制器设计 中通过气敏传感器得到的电信号实现了对抽油烟机的风速控制 26 测量电路 27 MQ 4传感器外形 28 谢谢 29