气敏传感器

§7.1气敏传感器气敏传感器外形酒精传感器其他可燃性气体传感器酒精测试仪呼气管家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器NH3传感器(氨气传感器)甲烷传感器氧浓度传感器可用于汽车尾气测量汽车尾气分析气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多,性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体性质变化,借此来检测气体的成分、浓度变化的。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型在检测时阻值随气体浓度的增大而增大。主要应用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃易爆有毒有害气体的检测、预报和自动控制。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。表7-1为半导体气敏元件的分类。表7-1半导体气敏元件的分类一、气敏电阻的工作原理1、材料：金属氧化物。（分N型如氧化锡和P型如氧化钴），合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。2、结构:敏感元件、加热器（200-4500C）、外壳。烧结型：重复性差，机械强度差3、分类：薄膜型：选择性好，一致性差厚膜型：一致性好，机械强度好，批量生产分类:烧结型SnO2气敏元件：应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的烧结型SnO2气体传感器是用粒度在1μm以下的SnO2粉末，加入少量Pd或Pt等触媒剂及添加剂，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，再埋入加热丝及电极，经600～800℃数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯体，将其引线焊接在管座上，并罩上不锈钢网制成。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。图1直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极(a)结构4321(b)符号（1）直接加热式SnO2气敏元件由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。图9-3直热式气敏器件的结构及符号(a)结构；(b)符号1234SnO2烧结体Ir—Pd合金丝(加热器兼电极)13242413(a)(b)优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。缺点:热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接触不良。现已很少使用。国产QN型和日本费加罗TGS＃109型气敏传感器均属此类结构。生物机电加热器电阻值一般为30Ω～40Ω电极加热器瓷绝缘管图2旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号（2）旁热式SnO2气敏元件其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。优点:这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。国产QM-N5型和日本费加罗TGS＃812、813型等气敏传感器都采用这种结构。图9-4旁热式气敏器件的结构及符号(a)旁热式结构；(b)符号加热丝测量电极加热丝加热丝引线电极引线电极绝缘瓷管SnO2烧结体(a)(b)图烧结型气体传感器的结构与符号（a）直热式；（b）旁热式图7.2MQN型气敏电阻结构及测量电路a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路1－引脚2－塑料底座3－烧结体4－不锈钢网罩5－加热电极6－工作电极7－加热回路电源8－测量回路电源烧结型气敏器件的特点：烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。分类:薄膜型气敏元件：薄膜型器件采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方法也很简单。薄膜型（SnO2）气敏元件特点：选择性好,但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。分类:厚膜型气敏元件：330.5(单位:mm)7(c)氧化铝基片Pt电极氧化物半导体器件加热用的加热器(印制厚膜电阻)这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。厚膜型气敏元件特点：元件机械强度高，一致性好，选择性好,适合大批量生产。4、加热器的作用：〇加速反应.〇烧去油污,清洁.5、电路形式:图（a）HQ系列；（b）QN系列；（c）MQ系列文字符号没有统一规定6、气敏传感器型号：7、气敏电阻器型号命名方式气敏电阻器的型号命名由三部分组成，各部分的含义见下表。第一部分用字母表示主称。第二部分用字母表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号。国产气敏电阻的命名第一部分：主称第二部分：用途或特征第三部分：序号字母含义字母含义用数字表示序号MQ气敏电阻器J酒精检测用K可燃气体检测用Y烟雾检测用NN型气敏元件PP型气敏元件QM-N5气敏传感器的特性加热电压（Vh）AC或DC5±0.2V响应时间(trec)≤10S回路电压（Vc）最大DC24V恢复时间(trec)≤30S负载电阴（Rl）2KΩ元件功耗≤0.7W清洁空气中电阻（Ra）≤2000KΩ检测范围50—10000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）≥4(在1000ppmC4H10中)使用寿命2年二、气敏传感器应用主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。QM-N5气敏传感器极其应用图8.1555定时器内部结构R5KR5KR5KC1C2G1G2G3RdVi1(TH)Vi2(TR)VCCTVcoR1VoVo'DisQQSR..采用TGS813传感器的可燃气体泄露报警电路工作原理分析:TGS813具有较高的灵敏度，也可用来检测如冬季取暖时煤炭燃烧不完全而产生的过量一氧化碳等，以防意外事故的发生。电路可分为四个部分，即、、和。电源电路检测电路电压比较电路指示电路练习:1、图为自动吸排油烟机原理框图，请分析填空。1）图中的气敏电阻是类型，被测气体浓度越高，其电阻值就越。2）气敏电阻必须使用加热电源的原因是，通常须将气敏电阻加热到C左右。因此使用电池为电源、作长期监测仪表使用时，电池的消耗较（大/小）。3）当气温升高后，气敏电阻的灵敏度将（升高/降低），所以必须设置温度补偿电路，使电路的输出不随气温变化而变化。4）比较器的参考电压UR越小，检测装置的灵敏度就越。若希望灵敏度不要太高，可将RP往（左/右）调节。5）该自动吸排油烟机使用无触点的晶闸管而不用继电器来控制排气扇的原因是防止。6）由于即使在开启排气扇后气敏电阻的阻值也不能立即恢复正常，所以在声光报警电路中，还应串接一只控制开关，以消除（喇叭/LED）继续烦人的报警。2、酒后驾车易出事故，但判定驾驶员是否喝酒过量带有较大的主观因素。请你利用学过的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪。总体思路是：让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传感器）呼三口气，用一排发光二极管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，精酒蒸气含量数码管指示出三次呼气的酒精蒸气含量的平均百分比。如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出“嘀……嘀……”声。根据以上设计思路，请按以下要求操作：1）画出你构思中的便携式酒后驾车测试仪的外形图，包括一根带电缆的探头以及主机盒。在主机盒的面板上必须画出电源开关、呼气指示LED若干个、呼气次数指示LED3个、酒精蒸气含量数字显示器、报警LED、报警蜂鸣器发声孔等。2）画出测量呼气流量的传感器简图。3）画出测量酒精蒸气含量的传感器简图。4）画出测试仪的电原理框图。5）简要说明几个环节之间的信号流程。6）写出该酒后驾车测试仪的使用说明书。