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1、1,第六章 其他类型传感器,第一节 气敏传感器 第二节 湿度传感器 第三节 生物传感器,2,第一节 气敏传感器,接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件,工作原理、主要类型及应用,是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，检测特定气体成分或测量其浓度的传感器总称。,3,一、接触燃烧式气体传感器 1、检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气
2、中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,4,接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气
3、体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,因为RF很小，且RF1R1=RF2R2,5,这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF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，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示,如果令,则有,检测元件的电
4、阻温度系数； T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； H可燃性气体接触燃烧的发热量； C检测元件的热容量； Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)； 由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。,6,，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则,A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,15
5、0,输 出 电 压 / mV,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度(XLEL),E=kmb,即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得,7,2、接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝,绕制成线圈,在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。也可将金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后
6、备用。,触媒,Al2O3载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,(a)元件的内部示意图,另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均与检测元件相同。并且,也应涂覆载体层,只是无须浸渍金属盐溶液或混入金属触媒粉体,形成触媒层。,8,二、半导体气体传感器 气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。 1、半导体气敏元件的特性参数 （1）气敏元件电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表
7、示为。一般其固有电阻值在(103105)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。,9,（2）气敏元件灵敏度 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C1的被测气体中的阻值： R2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1
8、C2。 （c）输出电压比灵敏度KV Va: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,10,（4）气敏元件响应时间 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力。气敏元件分辨率S表示
9、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,11,（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(0.52.0)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,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时
10、,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。,12,（7）初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。,13,2、
11、烧结型SnO2气敏元件 SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。 其制作是将一定配比的敏感材料(SnO2)及掺杂剂(Pt，Pb)等以水或粘合剂调和，混合均匀进行烧结。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热或内热式气敏元件),体积小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体内，兼作一个测量板，工艺简单。其缺点：热容量小，易受环境气流影响；测量电路与加热电路之间相互影响；加热丝在加热与不加热状态下产生胀、缩，容易造成与材料接触不良的现象。,14,（2）旁热式SnO2气敏元件,在陶瓷管内
12、放置加热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂气敏半导体材料。它克服内热式器件的缺点，使器件稳定性明显提高。加热器阻值3040,15,三、氧化锆氧气传感器 固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。一般认为，固体物质(金属或半导体)中，作为载流子传导电流的是正、负离子。可是，在固体电解质中，作为载流子传导电流的，却主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。 纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正
13、方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。,16,在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15mol左右时,离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的ZrO2Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。,17,ZrO2系
14、固体电解质的离子电导与温度关系,5,600,800,1000,1200,10-1,10-2,10-3,10-4,1,2,3,4,6,7,t /,离 子 电 导/-1 cm-1,1 添加8%molYb2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2 ；4 添加10%molY2O3 ；5 添加13%molCaO 6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO,18,四、气敏传感器的应用 分为检测、报警、监控等类型。 1、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高(3V10V)，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，
15、使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。,2、辅助电路,由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等)，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，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。下图是一温度补偿电路,19,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。,BZ,U,气敏传感器,氖管,蜂鸣器,NTC电阻,W,R1,R2,R3,R4,R5,R6,SCR,右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12min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。,BZ,气敏传感器,PTC电阻,R2,R1,R3,R4,BCR,U,B,蜂鸣器,氖管,20,3、检测工作电路 这是气敏元件应用电路的主体部分。 下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。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。,220V,BZ,氖管,家用可燃性气体报警器电
