第8章 气敏传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

1 第一节 半导体气敏传感器 第8章 气敏传感器 2 第一节 气敏传感器 接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件 工作原理、主要类型及应用 3 一、接触燃烧式气体传感器 1、检测原理 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。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 4 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。 图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性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F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(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，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。 A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 因为ΔRF很小，且RF1•R1=RF2•R2 5 这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与ΔRF成比例。在此，ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即ΔRF可用下式表示 如果令 则有 ρ—检测元件的电阻温度系数； ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量； C—检测元件的热容量； Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]； α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。 6 ρ，C和α的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则 接触燃烧式气敏元件的感应特性 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 50 100 150 输 出 电 压 / mV 丙烷 乙醇 异丁烷 丙酮 环己烷 气体浓度(XLEL) E=k•m•b 7 2、接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(1Ω～2Ω),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。 触媒 Al2O3载体 Pt丝 元件 (0.8-2)mm (b)敏感元件外形图 接触燃烧式气敏元件结构示意图 (a)元件的内部示意图 8 二、半导体气体传感器 气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。 根据半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。在此只介绍电阻型。 1、半导体气敏元件的特性参数 （1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。 测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。 9 （2）气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种 （a）电阻比灵敏度K （b）气体分离度 RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值： RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。 （c）输出电压比灵敏度KV Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出 Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中