传感器原理与应用_5_气敏传感器

第5章气敏传感器传感器原理与应用与气敏相关的基本概念气体浓度的表示对环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种：1.质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，即mg/m3;2.体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即ppm大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度（ppm）。中国的标准规范都是采用质量浓度单位（比如：mg/m3）表示PM2.5测量空气果（墨迹天气）汉王霾表N1斯拓普美国Dylos1100pro什么是气敏传感器？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。烟雾传感器酒精传感器二氧化碳传感器气敏传感器的性能要求气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件比较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。因此，对气敏元件有下列要求：对被测气体具有较高的灵敏度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、对检测信号相应迅速使用寿命长制造成本低，使用与维护方便等。常见气敏传感器分类接触燃烧式气敏传感器主要用于检测可燃气体（比如：煤气、液化气、汽油、煤油、H2、乙炔等）氧化物半导体气敏传感器主要用于检测以下两类气体：还原性气体（比如：H2、CO、乙醇、甲醇等）氧化性气体（比如：O2、NOx等）固态电解质气敏传感器主要用于检测无机气体（比如：O2、H2、Cl2、F2等）化学反应5.1接触燃烧式气敏传感器检测原理可燃气体的无焰接触燃烧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。Al2O3,SiO2膏烧制成球状烧结体。结构疏松，利于可燃气体的充分吸附接触；同时可保护铂丝外层涂覆氧化物触媒（催化剂）。提高元件对可燃气体的响应特性，使之充分无焰接触燃烧；同时防止铂丝自身氧化，延长寿命铂丝线圈。通常阻值1~2Ω测量电路RF1是检测元件，RF2是补偿元件。RF2与RF1结构相同，只是没有涂覆催化剂，使得不能发生无焰接触燃烧。用于补偿可燃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RF1与RF2上保持100mA~200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件RF1上发生氧化反应（无焰接触燃烧）所需的热量。测量电路当检测元件RF1与可燃气体接触时，由于剧烈的氧化作用（无焰燃烧），释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，电桥不再平衡，使得电桥输出电位差Uo21112111RRRRRRRRUUFFFFFo12211RRRRRFFF很小，并且11221211FFFFFoRRRRRRRRUU令=k112FFFoRRRkU△RF1是由于可燃性气体无焰接触燃烧所产生的温度变化（燃烧热）引起的，是与无焰接触燃烧热（可燃性气体氧化反应热）成比例的。即△RF1可用下式表示：CQmCHTRF1。可燃性气体的燃烧热；可燃性气体的浓度化剂所决定的常数；由检测元件上涂覆的催；℃检测元件的热容量发热量；可燃性气体接触燃烧的温度增加值；烧所引起的检测元件的由于可燃性气体接触燃；℃数检测元件的电阻温度系Kal/mol:Vol%::/Kal:::/:QmCHT对电桥的输出公式进行整理：mCQRRkCQmRRkRRRkUFFFFFFFo1212112接触燃烧式气敏元件的感应特性令=bmbkUo临界燃烧热不同气体的mLEL是不同的不同气体的Q也是不同的对于可燃气体报警器，是用于检测是否会发生爆炸，一般不局限于气体种类，因此如何设定报警门限电压Uo'是个问题？mQCRRkUFFo112与电路相关与元件相关与气体种类相关通过实验发现，常见的可燃气体（CH4、乙烷、乙醇等），其各自在空气中的mLELQ（爆炸下限浓度与自身燃烧热的乘积）都很接近。约为10~12（即11±1）左右。因此，将mLELQ称为临界燃烧热。空气中的某种可燃气体达到一定浓度时，就有爆炸的危险，这一浓度即为该气体的爆炸下限浓度mLEL（LowerExplosionLimit）。【特例】H2：mLELQ≈2.x；CS2：mLELQ≈3.x；CO：mLELQ≈8.5；氢气浓度报警器-A2+R2R36V-A1+10kR710kR610kR510kR41k10kR1LM3851.2V6.8k-A3+BG1-A4+R11100kR10100kR13100kR12100kR1410kR1610kRP120kR181kR17R1520kRP2CDBG2BBuzzer氢气浓度计3DG6R8R9100100减法器12VVVoutV2V1反向放大inoutVRRPRV14116RP1调节增益比较器RP2调节比较电压为电桥提供一个较大的驱动电流100~200mA使得C、D加热到300℃5.2氧化物半导体气敏传感器N型SnO2基本概念元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物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）特点：对被检测气体有较高的灵敏度气体选择性好。能够长期稳定工作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。半导体气敏传感器电阻型非电阻型根据气体与半导体材料相互作用是发生在材料表面亦或是深入影响到材料晶格内部表面电阻控制型体电阻控制型制造材料多采用各种氧化物半导体，具有代表性的如：SnO2，ZnO等金属栅MOS气敏传感器MOS电容气敏传感器肖特基二极管气敏传感器MOSFET气敏传感器表面电阻控制型氧化物半导体气敏传感器----气敏机理（以N型SnO2为例讨论）空间电荷调制理论:氧化物半导体表面附近的表层空间电荷层的导电率随被吸附气体的性质以及浓度变化而变化,因而可以定性甚至定量地反应出被测气体的存在及含量。反应过程：在工作温度下，SnO2表面与被测气体发生接触吸附作用。若被吸附气体分子的电子亲和力SnO2的功函数气体分子从SnO2中夺取电子气体分子称为负离子吸附（耗尽型吸附）SnO2表面载流子浓度下降气敏元件电阻值增大当电子亲和力SnO2的功函数时类似讨论工作温度依据是各种气体的最佳氧化、还原温度不同气体过滤膜使用某种物理或化学的过滤膜片，只允许制定的气体分子通过过滤膜，到达氧化物半导体的材料表面催化剂表面电阻控制型氧化物半导体气敏传感器----气敏选择性（以N型SnO2为例讨论）表面电阻控制型氧化物半导体气敏传感器----工作特性（以N型SnO2为例讨论）R(kΩ)10050510s2min4min响应时间氧化性气体吸附还原性气体吸附加热大气中吸附气体稳定氧化物半导体气敏传感器工作特性示意图(以N型SnO2为例)时间与Air中O2发生耗尽型吸附家用可燃气体检测报警器220μRp12VVDW1BBAH’10k+H470μ220V47kA’B’240100kVD530VDW2C3JVD60.01μ3CG14VT23DG12VT3VT1C33DG6QM-N55V5V家用可燃气体监测报警电路示意图(QM-N5SnO2半导体气敏传感器)QM-N5(适用于煤气、液化石油气、煤油、汽油、乙炔、乙醇、H2、H2S、CO、烷类、烯类、氨类气体、烟雾等)VT41k0.01μ2.2k2.2kLED48732B6511k3DG6470k470k1μF48732A651喇叭NE555NE5550.01μ0.01μ5.3固态电解质气敏传感器氧化锆（ZrO2）基本概念固体电解质是具有离子（晶格中的离子）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电子和空穴。可是在固体电解质中，作为载流子传导电流的主要是离子。Cl2Cl2Cl2Cl2Cl2Cl2Cl-Cl-Sr2+Cl-Cl-Cl-Sr2+Cl-Cl-Sr2+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-氯化锶（SrCl2）Cl2气浓度大Cl2气浓度小氧化锆（ZrO2）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，随温度的升高发生相转变。在1100摄氏度下，为正方晶系，在2500℃下为立方晶系，在2700℃下为熔融态。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，成为稳定的正方晶型，具有萤石结构，成为稳定化二氧化锆。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。氧化锆（ZrO2）发动机排气管内氧分压小氧浓度低外2O2--4e-O2O2-O2-ZrO2Zr4+Pt外电极Pt内电极O2+4e-2O2-eIO2EO2-+-+普通空气氧浓度高氧分压大氧分压差浓差电池内汽车尾气检测与处理三元催化剂的特性HC14.60.0NOXCOZrO2传感器输出发动机排气净化率%1.0空燃比车载排气系统阀门发动机注入器催化燃料空气中央控制器ZrO2氧敏传感器废气车载排气系统不锈钢套筒网格发动机排气发动机排气管普通空气加热Pt内电极外电极V输出内外