感測技術(shù)--ch7-2

1、7.2 氣敏傳感器氣敏傳感器定義定義：是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。檢測氣體中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧氣、氫氣等），將其變換成電信號輸出。應(yīng)用場合應(yīng)用場合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警。 基本要求：1、對被測氣體有高的靈敏度。2、氣體選擇性好。3、能夠長期穩(wěn)定工作。4、響應(yīng)速度快。 一、氣敏傳感器一、一、 氣敏電阻的工作原理氣敏電阻的工作原理 氣敏電阻的材料是金屬氧化物, 在合成材料時, 通過化學(xué)計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成金屬氧化物半導(dǎo)體 金屬氧化物在常溫下是絕緣的, 制成半導(dǎo)體后卻顯

2、示氣敏特性，其導(dǎo)電率隨氣體的吸附而發(fā)生改變。 通常器件工作在空氣中, 空氣中的氧和NO2 這樣的電子兼容性大的氣體, 接受來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷, 結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少, 使表面電導(dǎo)減小, 從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸, 就會與吸附的氧起反應(yīng), 將被氧束縛的電子釋放出來, 敏感膜表面電導(dǎo)增加, 使元件電阻減小。 該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200450）, 目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)。 例如, 用氧化錫制成的氣敏元件, 在常溫下吸附某種氣體后, 其電導(dǎo)率變化不大, 若保持這種氣體濃度不變, 該器件的電導(dǎo)率隨器件本身溫

3、度的升高而增加, 尤其在100300范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化很大。顯然, 半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果。 氧化錫、 氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系如圖所示。氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系 因此, 氣敏元件結(jié)構(gòu)上, 有電阻絲加熱, 結(jié)構(gòu)如圖所示, 1和2是加熱電極, 3和4是氣敏電阻的一對電極。 氣敏元件的基本測量電路 電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化, 輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。 因此, 常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。 EH為加熱電源, EC為測量電源二、二、 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 氣敏電阻元件種

4、類很多, 按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。 （1） 燒結(jié)型 將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中, 經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。（2）薄膜型）薄膜型 在石英基片上蒸發(fā)或濺射一層半導(dǎo)體薄膜制成（厚度0.1 m以下） 。上下為輸出電極和加熱電極，中間為加熱器。（3）厚膜型）厚膜型 將金屬氧化物粉末、添加劑粘合劑等混合配成漿料，將漿料印刷到基片上，制成數(shù)十微米的厚膜。靈敏度、工藝性、機(jī)械強(qiáng)度和一致性等方面，厚膜氣敏元件較好。 以上三種氣敏器件都附有加熱器, 在實際應(yīng)用時, 加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉, 同時加速氣體氧化還原反應(yīng), 從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。 燒結(jié)

5、型厚膜型薄膜型輸出極加熱電極輸出極加熱器金屬氧化物金屬氧化物氧化鋁基片半導(dǎo)體氧化物Pt電極加熱器加熱電極工作原理工作原理利用半導(dǎo)體材料與氣體相接觸時，材料電阻發(fā)生變化的效應(yīng)來檢測氣體的成分或濃度。氣敏元件多采用SnO2、ZnO等。 SnO2、ZnO屬于N型半導(dǎo)體，工作時加熱。元件加熱到穩(wěn)定狀態(tài)時，當(dāng)有氣體吸附時，吸附分子在氣敏元件表面自由擴(kuò)散，一部分分子蒸發(fā)，一部分分子固定在吸附處。 當(dāng)吸附還原性氣體時，半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向半導(dǎo)體釋放電子成為正離子吸附。載流子數(shù)增加，半導(dǎo)體電阻率減少阻值降低。 當(dāng)吸附氧化性氣體時，半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，吸附分子從半導(dǎo)體奪走電子成為負(fù)離子吸附。半導(dǎo)體載流子數(shù)減少，電阻率增大，阻值增大。三、三、 氣敏傳感器的應(yīng)用氣敏傳感器的應(yīng)用 實用酒精測試儀實用酒精測試儀 測試駕駛員醉酒的程度 。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當(dāng)氣體傳感器探測不到酒精時, 加在A5腳的電平為低電平; 當(dāng)氣體傳感器探測到酒精時, 其內(nèi)阻變低, 從而使A5腳電平變高。 A為顯示驅(qū)動器, 它共有10個輸出端, 每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管, 顯示推動器A根據(jù)第5腳電壓高低來