《传感器原理》第8章 气体传感器.pptVIP

本章课程安排 8.1 概 述 8.2 气体传感器的主要参数与特性 8.3 半导体气体传感器 8.4 固态电解质气体传感器 8.5 接触燃烧式气体传感器 8.6 新型气体传感器 8.7 气体传感器的应用 概 述 气体传感器有各种不同的分类方法。从检测对象可分为可燃性气体传感器、毒气传感器、氧气传感器与水蒸气传感器等。从测量信号的方式可分为电流测定型、电位测定型等。从气体分子与传感器检测元件间的相互作用来分类，可分为以下几种。 （1）利用待测气体的化学吸附与反应的气敏元件，属于这一类的主要是对可燃气体敏感的气敏半导体元件 （2）利用气体成分的反应性，如催化燃烧式可燃性气体传感器。 （3）利用待测气体对固体的分配平衡，如半导体氧敏元件和体电导型半导体可燃性气体敏感元件。 （4）利用气体成分的选择性透过，如固体电解质氧敏元件。 气体传感器的主要参数与特性 1．灵敏度 灵敏度（s）是气敏元件的一个重要参数，标志着气敏元件对气体的敏感程度，决定了测量精度。可用其阻值变化量?R与气体浓度变化量?P之比来表示： （8-1） 或用气敏元件在空气中的阻值R0与在被测气体中的阻值R之比表示，即 （8-2） 2．响应时间 从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的特性达到新的恒定值所需要的时间，称为响应时间，它是反映气敏元件对被测气体浓度的反应速度的参数。 3．选择性 在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力称为选择性。 4．稳定性 气体浓度不变时，若其他条件发生变化，在规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力，称为稳定性。 5．温度特性 气敏元件灵敏度随温度变化的特性称为温度特性。温度有元件自身温度与环境温度之分。 6．湿度特性 气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特性称为湿度特性。 7．电源电压特性 气敏元件的灵敏度随电源电压变化的特性称为电源电压特性 。 8．气体浓度特性 传感器的气体浓度特性表示被测气体浓度与传感器输出之间的确定关系。 9．初始稳定、气敏响应和恢复特性 无论哪种类型（薄膜、厚膜、集成片或陶瓷）的气敏元件，其内部均有加热器，一方面用做烧灼元件表面油垢或污物，另一方面可起加速被测气体的吸、脱过程的作用。如图8-1所示为N型半导体吸附气体时的器件阻值变化情况。 图8-1 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化 半导体气体传感器 8.3.1 电阻型半导体气敏元件 图8-1表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。目前使用最多的是半导体气敏传感器。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其内部，可分为表面控制型和体相控制型两大类（见表8-1）；按照半导体的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种（见表8-2）。 1．表面电阻控制型气体传感器 所谓的表面电阻控制型气体传感器，是利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化的特性制成的。 表8-1 两大类型的半导体气敏传感器 表8-2 半导体气敏传感器分类 （1）SnO2系气敏元件 以SnO2为基础材料制备的气敏元件是目前应用范围最广泛的一种气敏元件。 ① 工作原理 SnO2的熔点为1625℃，性能稳定。其晶体属四方晶系，具有金红石结构；是一种N型半导体。SnO2元件能与空气中电子亲和性大的气体（如O2和NO2等）发生反应，形成吸附氧会束缚晶体中的电子，使N型材料的表面空间电荷层的传导电子减少，从而使器件处于高阻状态。而与被测气体（如H2、CO）接触时，气体与吸附氧发生反应，将被氧束缚的电子释放出来，表面电导增加，使器件电阻减小 ② 结构形式 气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体三部分组成。 （2）烧结型SnO2气敏元件 图8-2为烧结型气敏器件。按照其加热方式，可以分为直热式与旁热式两种类型。 ① 直热式SnO2气敏元件 直接加热式SnO2气敏元件，又称为内热式器件，其结构与符号如图8-3所示，由芯片（包括敏感体和加热器）、基座和金属防爆网罩三部分组成。 图8-