气敏传感器

气敏传感器气敏传感器扬州大学2烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器气敏传感器扬州大学3本节主要内容一、气敏传感器的定义二、气敏传感器的分类三、电阻型半导体气敏材料的导电机理四、电阻型半导体气敏传感器的结构五、电阻型半导体气敏器件的基本特性六、电阻型半导体气敏传感器的测量电路气敏传感器扬州大学4一、气敏传感器的定义气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度、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。气敏传感器扬州大学5二、气敏传感器的分类按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。气敏传感器扬州大学6半导体气敏传感器：按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内部：可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质：又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接间接检测。气敏传感器扬州大学7气敏传感器扬州大学8三、电阻型半导体气敏材料的导电机理半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和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，气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量。一部分被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而吸附在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。气敏传感器扬州大学9如果半导体的功函数小于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化含物和醇类，它们被称为还原型气体。当氧化型气体吸附到N型半导体，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体的载流子减少，而使半导体电阻值增大；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，将使半导体电阻值下降。气敏传感器扬州大学10由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏器件的响应时间一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等；P型材料有MoO2、CrO3等。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。自从60年代研制成功SnO2(氧化锡)半导体气敏元件后，气敏元件进入了实用阶段。SnO2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。气敏传感器扬州大学11Sno2气敏元件电阻与吸附气体关系气敏传感器扬州大学12四、电阻型半导体气敏传感器的结构半导体气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。气敏传感器扬州大学13气敏传感器扬州大学141、烧结型气敏器件这类器件以SnO2半导体材料为基体、将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，经加温、加压，利用700～900℃的制陶工艺烧结成形。气敏传感器扬州大学152、薄膜型气敏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。实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好；但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。气敏传感器扬州大学163、厚膜型气敏器件这种器件是将SnO2或ZnO等材料与3％～15％(重量)的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到装有铂电极的氧化铝(Al2O3)或氧化硅(SiO2)等绝缘基片上，再经400～800℃温度烧结1h制成。由于这种工艺制成的元件离散性小、机械强度高，适合大批量生产。气敏传感器扬州大学174、加热方式和符号加热器可以将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高其灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200～400℃左右。加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式气敏元件和旁热式气敏元件。直热式气敏元件是将加热丝直接理入SnO2或ZnO粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型气敏结构。旁热式气敏元件是将加热丝和敏感元件同置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂上SnO2等材料。气敏传感器扬州大学18气敏传感器扬州大学19五、电阻型半导体气敏器件的基本特性1、SnO2系气敏元件烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对气体的灵敏度特性如图所示。气敏元件的阻值RC与空气中被测气体的浓度C成对数关系：logRC＝mlogC+n气敏传感器扬州大学20气敏传感器扬州大学212、ZnO(氧化锌)系气敏元件ZnO系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度比SnO2系气敏元件约高100℃左右，因此不及SnO2系元件应用普遍。同样如此，要提高ZnO系元件对气体的选择性，也需要添加Pt和Pd等添加剂。气敏传感器扬州大学22气敏传感器扬州大学23六、电阻型半导体气敏传感器的测量电路ccsLUIRRLcRccLsLUUIRRRR气敏传感器扬州大学24七、电阻型半导体气敏传感器的应用半导体气敏器件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长、成本低,而得到了广泛的应用。目前,应用最广的是烧结型气敏器件,主要是SnO2、ZnO、ν―Fe2O3等半导体气敏器件。近年来薄膜型和厚膜型气敏器件也逐渐开始实用化。上述气敏器件主要用于检测可燃性气体、易燃或可燃性液体蒸汽。气敏传感器扬州大学25如图所示新型半导体气敏器件QM―N6型半导体气敏器件的特征。气敏传感器扬州大学26气敏传感器扬州大学27家用报警器电路图气敏传感器扬州大学28家用煤气（CO）安全报警器原理图气敏传感器扬州大学29煤气报警电路包括电源电路、气敏探测电路、电子开关电路和声光报警电路。开放式空气负离子发生器电路由R10～R13、C5～C7、V5～V7、3CTS3及B2等组成。这种负离子发生器,由于元件少,结构简单,通常无须特别调试即能正常工作。减小R12的阻值,可使负离子浓度增加。气敏传感器扬州大学30气敏传感器扬州大学31气敏传感器扬州大学32气敏传感器扬州大学33气敏传感器扬州大学34气敏传感器扬州大学35气敏传感器扬州大学36气敏传感器扬州大学37