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电力传感与检测技术1.41.4电力设备检测中的化学传感器电力设备检测中的化学传感器1.4.11.4.1气敏传感器气敏传感器气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。由于气敏传感器是暴露在检测现场使用，工作条由于气敏传感器是暴露在检测现场使用，工作条件比较恶劣，温度、湿度的变化很大，又存在大量粉件比较恶劣，温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，气体对传感元件的材料会产生化学反应尘和油雾等，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，因此要物，附着在元件表面，往往会使其性能变差，因此要求气敏传感器的性能必须满足下列条件：求气敏传感器的性能必须满足下列条件：电力传感与检测技术(1)(1)能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。、显示和控制信号。(2)(2)对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。(3)(3)性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。应迅速。(4)(4)使用、维护方便，价格便宜等。使用、维护方便，价格便宜等。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此本节将着重介绍半导体气敏传感器。本节将着重介绍半导体气敏传感器。电力传感与检测技术1.1.半导体气敏传感器半导体气敏传感器（（11）半导体气敏传感器的分类）半导体气敏传感器的分类半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器，分类如表敏传感器，分类如表11--22所示。所示。按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测型两类。前者是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分；后者是利用二气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导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，又可分为表面电阻控制型和体表面或深入到半导体内部，又可分为表面电阻控制型和体电阻控制型。前者当半导体表面吸附气体后，使半导体体电阻控制型。前者当半导体表面吸附气体后，使半导体电力传感与检测技术的载流子增多或减小来引起半导体电导率变化，但内的载流子增多或减小来引起半导体电导率变化，但内部化学组成不变；后者当半导体与气体发生反应后部化学组成不变；后者当半导体与气体发生反应后，使半导体晶格发生变化而引起电导率改变。，使半导体晶格发生变化而引起电导率改变。表表11--22半导体气敏传感器分类半导体气敏传感器分类类型主要物理特性气敏元件举例工作温度℃待测气体表面电阻控制型SnO2、ZnO300～450可燃性气体体电阻控制型γ－Fe2O2TiO2CoO－MgO300～450700以上700以上乙醇、可燃性气体、O2O2二极管整流特性Pd－TiO2室温～200H2、CO、乙醇场效应晶体管特性Pd-MOSFET150H2、H2S非电阻型电阻型电阻电力传感与检测技术(2)(2)电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器大多使用金属氧化物半导体材料电阻型半导体气敏传感器大多使用金属氧化物半导体材料作为气敏元件。它分作为气敏元件。它分NN型半导体如型半导体如SnOSnO22、、FeFe22OO33、、ZnOZnO等；等；PP型型半导体，如半导体，如CoOCoO、、PbOPbO、、CuOCuO、、NiONiO等。等。1)1)材料和结构材料和结构因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡中，用氧化锡(SnO(SnO22))制成的元件具有结构简单、成本低、可制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。为广泛。电力传感与检测技术半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳加热器和外壳。。按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图型，如图11--2727所示。所示。图图11--2727半导体传感器的器件结构半导体传感器的器件结构电力传感与检测技术图图11--27(a)27(a)所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷如所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷如SnO2SnO2为基材为基材，添加不同物质采用低温，添加不同物质采用低温(700(700℃℃～～900900℃℃))制陶方法进行烧结，烧制陶方法进行烧结，烧结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上制成元件。由于制作简单，它是一种最普通的结构形式，主要用制成元件。由于制作简单，它是一种最普通的结构形式，主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气，但由于烧结不充分于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气，但由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，电特性误差较，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，电特性误差较大，所以应用受到一定的限制。大，所以应用受到一定的限制。电力传感与检测技术图图11--27(b)27(b)所示为薄膜型气敏元件，是用蒸发或溅射方法，在所示为薄膜型气敏元件，是用蒸发或溅射方法，在石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜((厚度在厚度在100nm100nm以下以下))，用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵，用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵敏度和响应速度。敏感体的薄膜化有利于器件的低功耗、敏度和响应速度。敏感体的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及与集成电路制造技术兼容，所以是一种很有小型化，以及与集成电路制造技术兼容，所以是一种很有前途的器件。前途的器件。电力传感与检测技术图图11--27(c)27(c)所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料(SnO(SnO22、、ZnOZnO))与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上，在用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上，在400400℃℃～～800800℃℃的温度下烧结的温度下烧结11个～个～22个小时便制成厚膜型气敏元件。个小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。生产。这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到200200℃℃～～400400℃℃。。电力传感与检测技术2)2)工作原理工作原理电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。这种而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。这种反应是可逆的，因而可以重复的使用。电阻值的变化是伴随反应是可逆的，因而可以重复的使用。电阻值的变化是伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为了加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热。了加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热。下面以半导瓷材料下面以半导瓷材料SnOSnO22为例，说明表面电阻控制型气敏为例，说明表面电阻控制型气敏传感器的工作原理。传感器的工作原理。半导瓷材料半导瓷材料SnOSnO22属于属于NN型半导体，型半导体，NN型半导体气敏传感器型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线如图吸附被测气体时的电阻变化曲线如图11--2828所示。从图中可见所示。从图中可见电力传感与检测技术当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间阻值急剧下降，阻值发生变化的时间((称响应时间称响应时间))不到不到1min1min，然后上升，经，然后上升，经2min2min～～10min10min后达到稳定，这段时间后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。于气体检测。图图11--27N27N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线电力传感与检测技术当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定，如果被发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定，如果被测气体是氧化性气体测气体是氧化性气体((如如OO22和和NONOXX))，被吸附气体分子从气敏，被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使元件得到电子，使NN型半导体中载流子电子减少，因而电型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。如果被测气体为还原性气体阻值增大。如果被测气体为还原性气体((如如HH22、、COCO、酒精、酒精等等))，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。子增多，因而电阻值下降。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。如果被测气体是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。如果被测气体与敏感元件接触后，元件表面将产生吸附作用，元件的阻与敏感元件接触后，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。得知气体的浓度