(精)chapter8 固态传感器-气敏090808.pptVIP

8.4 气体传感器 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。 8.4 气体传感器 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：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。 用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。 8.4 气体传感器 8.4.1 接触燃烧式气体传感器 8.4.2 半导体气体传感器 8.4.3 气体传感器的应用 8.4.1 接触燃烧式气体传感器 1. 检测原理 可燃性气体，如H2、CO、CH4、LPG液化石油气(Liquefied Petroleum Gas)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（金属铂具有正的温度系数）。 作为温度——电阻率关系，在温度不太高时，具有良好的线性关系)。 1. 检测原理 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)越多，铂丝的温度变化(增高)越大，其电阻值增加的就越多。 只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(?R)，就可以检测空气中可燃性气体的浓度。 1. 检测原理 接触燃烧式气体敏感元件是由图所示的桥式电路构成的。 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变化、电源电压变化等因素所引起的偏差。 1. 检测原理 接触燃烧式气体敏感元件工作时，要求在F1和F2上经常保持一定的电流通过(一般为100 mA—200 mA)。以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应所需要的热量。 当检测元件与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用，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点产生电位差。 1. 检测原理 由于接触燃烧作用，检测元件的电阻变化为ΔRF1，ΔRF2与RF1、RF2、R1、R2相比是非常小的。 A、B点电位差为： 因为ΔRF很小，且RF1R1=RF2R2 如果令， 则有， 1. 检测原理 检测元件与补偿原件的电阻比RF2/RF1接近于1，因此 电位差E与ΔRF成比例关系。 ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化引起的，是与可燃性气体的氧化反应热成比例的 。 ΔRF可以用下式表示： m是可燃气体的浓度； p是检测原件的电阻温度系数； C检测元件的热容量； α由检测元件上涂覆的 催化剂决定的常数。因为p，C和α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所决定的。因而，在一定条件下，都是确定的常数。 1. 检测原理 因此 即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。 2. 接触燃烧式气敏元件的结构 8.4.2 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。 工作机理 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。 目前流行的定性模型是 原子价控制模型 表面电荷层模型 晶粒间界势垒模型 8.4.2 半导体气体传感器 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，在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物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。 8.4.2 半导体气体传感器 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时， 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或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大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、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。 8.4.2 半导体气体传感器 当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。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