《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第9章 化学传感器和集成式温度传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第9章 化学传感器和集成式温度传感器（127页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第九章 化学传感器和集成式温度传感器,9.1 化学传感器 在环境保护、医疗、食品等领域，化学量的检测技术越来越重要。化学传感器是指能将各种化学物质特性（如气体浓度、离子浓度、空气湿度等）的变化转化为电信号的传感器。一般来讲，化学传感器通常由接收器和换能器两部分组成。接收器是具有分子或离子识别功能的化学敏感膜，它的作用可以概括为吸附、离子交换和选择等，它的物理形态主要是薄膜结构。换能器的作用是将敏感膜的化学或物理转换为电信号。,化工种类繁多，性质和形态各异，决定了化学传感器的种类也很多，其转换原理也各不相同，并且由于转换机理相对复杂，因而化学传感器远不如物理传感器那样成熟和普及。但是，随着科学技
2、术的发展，尤其是人类对环保的需要，人们对化学传感器的需求逐渐增多，化学传感器的应用也日渐增多。 化学传感器按接收器的识别功能可分为离子敏传感器、湿敏传感器、气敏传感器和光敏传感器等。本章从检测对象的角度出发，主要介绍气敏传感器和湿敏传感器。,9.1.1 气敏传感器 人们的生活环境中存在着各种有毒、有害及易燃、易爆气体，空气环境的变化也会给人类带来极大的影响，如近年来，酸雨、温室效应、臭氧层的破坏等。随着人类环保意识的增强，需要对各种有毒、有害等气体进行有效的检测和控制。如探测和分析肉类、蔬菜等食品发出的气味，可以了解食品的新鲜度；通过检测人的呼吸就可以了解人的健康状况；空气质量的提高就需要对汽
3、车的尾气排放进行检测，如影响空气质量的粒子PM2.5；石油化工、半导体集成电路等工业产生了H2S、CO、苯等有害气体，要求研究开发相应的气敏传感器。,1气敏传感器的基本概念及特性 （1）气敏传感器的基本概念 气敏传感器是一种检测特定气体成分和浓度的传感器，并将其转换成电信号，通过对电信号的分析就可以获得待测气体的信息。 气敏传感器主要分为半导体、接触燃烧式和电化学式等，其中最常用是半导体气敏传感器。它具有体积小、质量轻、灵敏度高和便于集成的特点，广泛应用于一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤气检测、氟利昂检测、人体口腔口臭检测等。此外，按照气敏传感器的结构还可分为干式和湿式两大类。,气敏传感器通
4、常是暴露在气体中使用的，由于检测现场温度、湿度变化一般比较大，且存在大量的粉尘、油污等，工作条件比较恶劣，而且气体会与传感元件的材料发生化学反应，附着在元件表面，可使其性能变差，因此气敏传感器一般要满足：对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测出允许范围内的气体；对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；性能稳定，重复性好；动态特性好，对检测信号响应迅速；使用寿命长；制造成本低，使用与维护方便等。,（2）气敏传感器的主要参数及特性 由于气敏传感器易受环境影响，所以其具有很多独特的参数和特性，主要有以下几个。 灵敏度。灵敏度（S）是指气敏元件对气体的敏感程度，决定着传感器的测量精度。可用传感器阻值的
5、变化量R与气体浓度的变化量P之比来描述：,灵敏度的另一种表示方法是气敏传感器在纯净空气中的阻值R0与在被测气体的阻值R之比： 响应时间。响应时间是指从气敏元件接触到一定浓度的被测气体开始，至气敏元件的阻值达到该浓度下新的恒定值所需要的时间。它表示气敏元件对被测气体浓度的响应速度。, 选择性。选择性是指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力。对某种气体选择性好，表示气敏元件对其灵敏度高。 温度特性。温度特性是指气敏元件的输出随温度变化的特性。温度有自身温度和环境温度之分，元件自身温度对灵敏度的影响较大，主要通过温度补偿的方法解决。环境温度的变化主要通过调节或改善环境条件来解决，也可以
6、通过温度补偿的方法来解决。, 湿度特性。湿度特性是指气敏元件的输出随环境湿度变化的特性，可通过湿度补偿的方法解决。 时效性与互换性。反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性。同一型号元件之间气敏特性的一致性反映了其互换性。,表9-1 气敏传感器的分类,2半导体式气敏传感器的工作原理 半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件同被测气体接触，使半导体性质发生变化的原理来测量被测气体的成分或者浓度的一类传感器。 （1）半导体式气敏传感器的分类 半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两类。电阻式气敏传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制成的敏感元件，它是利用敏感元件接触气体时其阻值的变化来测量气
7、体的成分或浓度的，它又分烧结型、薄膜型和厚膜型；非电阻式气敏传感器也是一种半导体器件，与被测气体接触后，如二极管的伏安特性或场效应管的阈值电压等会发生变化，根据这些变化来测量气体的成分或浓度，它又分为二极管气敏传感器、MOS管气敏传感器和Pd-MOSFET气敏传感器。半导体气敏传感器的分类如图9-1所示。本章主要介绍使用较多的电阻式半导体气敏传感器。,图9-1 半导体气敏传感器的分类,（2）电阻式半导体气敏传感器的工作原理 电阻式半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化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
8、由扩散，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（化学吸附）。,半导体气敏元件有N型和P型之分。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图9-2所示为气体接触到N型半导体时产生的器件阻值的变化。如SnO2金属氧化物半导体气敏元件，在200300温度时，吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。,而当遇到有能供给电子的还原型气体（如CO）时，原来吸附的氧脱附，而以正离子状态
9、吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体带电密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在时，使氧化物半导体又会恢复氧的负离子吸附，使电阻值回升到初始状态。,图9-2 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,半导体气敏元件与被测气体作用的规则如下。 氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加。 还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小。 氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小。 还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加。,空气中氧的成分大体上是恒定的，而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气体
10、中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体的浓度而变化，所以从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。,气敏元件在工作时需要加热，其目的是加速气体吸附、脱出的过程，提高器件的灵敏度和反应速度；还能烧去附着在探测器表面部分的油污、尘埃等污物，起清洁作用；此外在加热过程中，控制不同的加热温度，可以增强对被测气体的选择性，在实际工作时一般要加热到200400。,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多，因此气敏元件在结构上要有电阻丝加热，结构如图9-3所示，其中1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。当所测气体的浓度变化时，气敏元件的阻
11、值发生变化，从而使输出发生变化。SnO2、ZnO材料气敏元件输出电压与温度的关系如图9-4所示。气敏元件的基本测量电路，如图9-3所示，图中EH为加热电源，EC为测量电源，电路中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，电阻Ro上的输出电压也就发生变化。这种气敏传感器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的泄漏。,图9-3 气敏电阻的基本测量电路,图9-4 输出电压与温度的关系,（3）电阻型半导体气敏元件 半导体气敏传感器一般由敏感元件、加热器和外壳3部分组成。敏感元件是用来感知被测气体特性变化的元件，其按制造工艺大致分为烧结型气敏器件、薄膜型气敏器件和厚膜型气敏器件。
12、, 烧结型气敏器件。烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料和一些掺杂剂调合在一起研磨，然后倒入模具，埋入加热丝和测量电极烧结而成。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上外壳就构成了器件。目前最常用的是SnO2烧结型气敏元件，它的加热温度较气低，一般在200300，SnO2敏半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。, 薄膜型气敏器件。薄膜型气敏器件制作采用蒸发或溅射方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜，其厚度在0.1m以下，再引出电极。薄膜型气敏器件的结构如图9-5所示。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特
13、性较好，能在400500的温度下工作。其优点是：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。, 厚膜型气敏器件。厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3%15%的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400800的温度下烧结12h制成。厚膜型气敏器件的结构如图9-6所示。用厚膜工艺制成的器件一致性好并且机械强度高，适于批量生产。,图9-5 薄膜型气敏器件,图9-6 厚膜型气敏器件,以上3种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，加热器能使附着在测量部分上的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化和还原反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度。 电阻
14、式气敏传感器的优点：工艺简单，价格便宜，使用方便；气体浓度发生变化时响应迅速；即使是在低浓度下，灵敏度也较高。但是电阻式气敏传感器具有稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等缺点。,3典型应用 （1）有毒气体报警器 一氧化碳、液化气、甲烷等都是有毒可燃性气体。若有毒可燃性气体浓度超过一定值时，将对人体安全造成危害。图9-7所示是家用有毒气体报警器的电路图，其中QM-N10是电阻式气敏传感器，它是一种新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件，内部有一个加热丝和一对探测电极（A极和K极）。当空气中不含有毒气体或有毒气体的浓度很低时，A、K两极间电阻值很大，流过电位器RP的电流很小，K
15、点为低电平，达林顿管不导通；当空气中有毒气体的浓度达到一定值时，A、K两点间的阻值迅速下降，使得电位器RP上流过的电流突然增加，K点电位升高，向电容C2充电，直至C2上的电压达到达林顿管导通电位（约1.4V）时导通，驱动扬声器发生报警。当有毒气体的浓度下降到使A、K两点间恢复到高阻态时，K点电位低于1.4V，达林顿管截止，报警消除。,图9-7 家用有毒气体报警器电路图,（2）酒精气体报警器 陶瓷气敏传感器可以用于分析酒精蒸气的含量，传感器与相应的电路配合能够检测血液中的酒精含量。工作原理也很简单，如果血液中含有一定比例的酒精成分，那么它必定会发散到空气中来，血液中酒精浓度越高，发散到空气中的比
16、例越大。如果用含有一定浓度酒精的空气喷吹传感器，传感器的电阻将发生与酒精浓度相应的变化，这个变化可以用合适的测量电路鉴别。图9-8所示是一种检测呼气中酒精含量的参考电路，使用的气敏传感器为Figaro公司的TGS822。传感器负载电阻上的输出电压加到3个运算放大器的反相输入端，三者互连成比较器。电阻R1和R2是用来设置基准电压的，基准电压的上限由电阻RP1设定。,接通电源，并按下复位电钮后，触发器进入逻辑0状态，这时发光二极管LED1LED3不发光。当酒精蒸汽作用在传感器上时，负载电阻上的压降开始变化（逐渐升高）。这些分立的比较器顺序工作的结果导致相应的触发器开启，因而与它们相联的LED点亮。如果酒精蒸气停止对传感器作用，那么负载电阻上的电压将缓慢下降。按动复位电钮后，恢复到起始状态。,图9-8 检测呼气中酒精含量的连接电路,9.1.2 湿敏传感器 产品制造工艺的提高和环境质量的要求，湿度的检测已经成为生产和生活必不可少的手段。例如，在精密仪器、半导体
