气体传感器 讲解.pptVIP

* * 气敏传感器 13.1 概述 13.1.1 1.产生原因: 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点。 2.发展过程: 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元件。它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。 继而又发现在SnO2烧结体中添加Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主. 13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点 （1）气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。 （2）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 （3）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。 （4）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。 （5）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。 13.1.3 SnO2的基本性质 1.SnO2 物理性质: SnO2是一种白色粉末，密度为6.16-7.02g/cm3，熔点为1127℃，在更主温度下才能分解，沸点高于1900℃的金属气化物。SnO2不溶于水，能溶于热强酸和碱。 2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构，具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离子占据。其晶胞结构如图10-16所示，晶格常数为a=0.475nm，c=0.319nm。 13.1.4 SnO2的气敏效应 1.经实验发现，多晶SnO2对多种气体具有气敏特性。 2.多孔型SnO2半导体材料，其电导率随接触的气体种类而变化。 一般吸附还原性气体时电导率升高。而吸附氧化性气体时其电导率降低。 这种阻值变化情况如图10-17所示。 13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素 1）SnO2结构组成对气敏效应的影响 SnO2具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnO2，一般都是偏离化学计量比的，在SnO2中有氧空位或锡间隙原子。这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，SnO2中氧空位多，气敏效应明显。 （2）SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明，SnO2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。 表10-2列出了具有不同添加物质的SnO2气敏元件的气敏效应。 （3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响 实验证明，制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对其气敏性能有明显影响。因此，利用元件这一特性可进行选择检测。 13.1.6 表10-2 添加物对SnO2气敏效应的影响 添加物质 检测气体 使用温度（℃） PdO,Pd CO，C3H8 酒精 200～300 Pd,Pt过渡金属 CO，C3H8 200～300 PdCI2SbCI3 CH4，C3H8, CO 200～300 Sb2O3,TiO2TIO3 250～300 V2O5，Cu 250～400 稀土类 酒精系可燃性气体 过渡金属 还原性气体 ?250～300 Sb2O3,Bi2O3 还原性气体 500～800 高岭土（陶土），Bi2O3 WO ? LPG，CO，城市煤气，酒精 酒精，丙酮 碳氢系还原性气体 200～300 13.1.6 SnO2气敏元件的结构 SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。 13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构 烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基材（料粒度在1μm以下），添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。 烧结时埋入测量电极和加热线，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加二层不锈钢网而制成元件。 主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气。工作时需加热到300℃左右. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两种。 13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件 直热式