气敏传感器课件.ppt

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1、 电子科学学院电子科学学院仪器科学与技术仪器科学与技术气敏传感器气敏传感器 气气敏敏传传感感器器的的作作用用相相当当于于我我们们的的鼻鼻子子，可可“嗅嗅”出出空空气气中中某某种种特特定定的的气气体体，并并判判定定气气体体的的浓浓度度，从从而而实实现现对对气气体体成成分分的的检检测测和和监监测测，以以改改善善人人们们的的生生活活水水平平，保保障障人人们们的的生生命命。环境污染、火灾报警环境污染、火灾报警煤矿煤矿化工化工一、与气敏相关的基本概念一、与气敏相关的基本概念 气体浓度的表示？气体浓度的表示？对环境大气（空气）中污染物对环境大气（空气）中污染物浓度浓度的表示方法有两种：的表示方法有两种：1

2、质量质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，即数，即mg/m32、体积体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即体积数，即ppm 大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度（ppm）。而按中国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度）。而按中国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度以质量浓度的单位（以质量浓度的单位（mg/m3）表示，中国的标准规范也都是采）表示，中国的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。）表

3、示。什么是气敏传感器？什么是气敏传感器？气气敏敏传传感感器器是是用用来来检检测测气气体体类类别别、浓浓度度和和成成分分的的传传感感器器。由由于于气气体体种种类类繁繁多多,性性质质各各不不相相同同，不不可可能能用用一一种种传传感感器器检检测测所所有有类类别别的的气气体体，因因此此，能能实实现现气气-电电转转换换的的传传感感器器种种类类很很多多，按按构构成成气气敏敏传传感感器器材材料料可可分分为为半半导导体体和和非非半半导导体体两两大大类类。目目前前实实际使用最多的是半导体气际使用最多的是半导体气敏传感器。敏传感器。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器气敏电阻外形气

4、敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器二氧化碳浓度传感器二氧化碳浓度传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量汽车尾气分析汽车尾气分析有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用1 1、气敏传感器的性能要求：、气敏传感器的性能要求：l对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体具有较高的灵敏度l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 l性能稳

5、定，重复性好性能稳定，重复性好 l动态特性好，对检测信号响应迅速动态特性好，对检测信号响应迅速l使用寿命长使用寿命长 l制造成本低，使用与维护方便等制造成本低，使用与维护方便等 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测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，对气敏应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。因此，对气

6、敏元件有下列要求：元件有下列要求：二、认识气敏传感器 2、常见气敏传感器的分类、常见气敏传感器的分类 3、半导体气敏传感器的机理半导体气敏传感器的机理 半导体式气敏传感器：半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的电电导率导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度成分或者浓度材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体；材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体；其中其中P型：如氧化钴、型：如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。氧化铅、氧化铜、氧化镍等。N型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨

7、等。型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。合成材料有时还渗入了催化剂合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（如钯（Pd）、铂）、铂（Pt）、银（）、银（Ag）等。表表7-1 半导体气敏元件的分类半导体气敏元件的分类 基本原理基本原理是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。值变化而制成的。半导体气敏材料半导体气敏材料吸附气体的能力很强吸附气体的能力很强。当半导体器件被加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

8、量，一部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）。吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为为氧化型气体或电子接收性气体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，吸附分如果半导体的功函数大于

9、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石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、离子吸附倾向的气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。乙烷、煤气、天然气、氢气等。它们被称为它们被称为还原型气还原型气体或电子供给性气体体或电子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电，也就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。当当氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体型半导体（SnO2,ZnO)上，上，还原型气体吸附到还原型气体吸附到P型半导体

10、型半导体(CrO3)上时，将上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。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当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体型半导体上，氧化型气体吸附到吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。导体电阻值下降。图图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 规则总结规则总结：氧化型气体氧化型气体N型半导体：载流子数下降，型半导体：载流子数下降，电阻增加电阻增加还原型气体还原型气体N型半导体：载流子数增加，型半导体：载流子数增加，电阻减小电阻减小氧化型气体氧化型气体P型半导

11、体：载流子数增加，型半导体：载流子数增加，电阻减小电阻减小还原型气体还原型气体P型半导体：载流子数下降，型半导体：载流子数下降，电阻增加电阻增加 4、半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 图图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；薄膜型器件；(c)厚膜型器件厚膜型器件 图图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；薄膜型器件；(c)厚膜型器件厚膜型器件 由由于于加加热热方方式式一

12、一般般有有直直热热式式和和旁旁热热式式两两种种，因因而而形形成成了了直直热热式式和和旁旁热热式式气气敏敏元元件件。直直热热式式气气敏敏器器件件的的结结构构及及符符号号如如图图9-3所所示。示。图图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号直热式气敏器件的结构及符号(a)结构；结构；(b)符号符号 旁热式气敏器件的结构及符号如图旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示所示图图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号旁热式气敏器件的结构及符号(a)旁热式结构；旁热式结构；(b)符号符号 2.非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 非非电电阻阻型型气气敏敏器器件件也也是是半半导导体体气气敏敏传传感感

13、器器之之一一。它它是是利利用用MOS二二极极管管的的电电容容电电压压特特性性的的变变化化以以及及MOS场场效效应应晶晶体体管管(MOSFET)的的阈阈值值电电压压的的变变化化等等物物性性而而制制成成的的气气敏敏元元件件。由由于于类类器器件件的的制制造造工工艺艺成成熟熟，便便于于器器件件集集成成化化，因因而而其其性性能能稳稳定定且且价价格便宜。格便宜。利用特定材料还可利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。以使器件对某些气体特别敏感。(1)MOS二二极极管管气气敏敏器器件件 MOS二二极极管管气气敏敏元元件件制制作作过过程程是是在在P型型半半导导体体硅硅片片上上，利利用用热热氧氧化化工工艺艺

14、生生成成一一层层厚厚度度为为50100 nm的的二二氧氧化化硅硅(SiO2)层层，然然后后在在其其上上面面蒸蒸发发一一层层钯钯(Pd)的的金金属属薄膜，作为栅电极，如图薄膜，作为栅电极，如图9-5(a)所示。所示。图图 9-5 MOS二极管结构和等效电路二极管结构和等效电路(a)结构；结构；(b)等效电路；等效电路；(c)C-U特性特性 (2)MOS场场效效应应晶晶体体管管气气敏敏器器件件 钯钯-MOS场场效效应应晶晶体体管管(Pd-MOSFET)的结构，的结构，参见图参见图9-6。图图 9-6 钯钯MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构（1）气敏元件灵敏度特性气敏元件灵敏度特性烧烧结结型

15、型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型SnO2气气敏敏器器件件对对气气体体的的灵灵敏敏度度特特性性如如右右图图所所示示。气气敏敏元元件件的的阻阻值值RC与与空空气气中中被被测测气气体体的的浓浓度度C成成对对数关系：数关系：log RCm logC+n式式中中n与与气气体体检检测测灵灵敏敏度度有有关关，除除了了随随材材料料和和气气体体种种类类不不同同而而变变化化外外，还还会会由由于于测测量量温温度度和和添添加加剂剂的的不不同同而而发发生生大大幅幅度度变变化化。m为为气气体体的的分分离离度度，随随气气体体浓浓度度变变化化而而变变化，对于可燃性气体，化，对于可燃性气体，。在气敏材料在气敏材料SnO2中添加

16、铂中添加铂(Pt)或钯或钯(Pd)等作为催化剂，可以提高其等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作温度都将影响元件的选样性。温度都将影响元件的选样性。5、气敏元件的基本特性、气敏元件的基本特性 1.SnO2系系（2 2）SnOSnO2 2材材料料的的物物理理、化化学学稳定定性性较好好，与与其其它它类型型气气敏敏元元件件（如如接接触触燃燃烧式式气气敏敏元元件件）相相比比，SnOSnO2 2气气敏敏元元件件寿命寿命长、稳定性好、耐腐定性好、耐腐蚀性性强。（3 3）SnOSnO2 2气气敏

17、敏元元件件对气气体体检测是是可可逆逆的的，而而且且吸吸附附、脱脱附附时间短，可短，可连续长时间使用。使用。（4 4）元元件件结构构简单，成成本本低低，可可靠靠性性较高高，机机械械性性能能良良好。好。（5 5）对气气体体检测不不需需要要复复杂的的处理理设备。可可将将待待检测气气体体浓度可通直接度可通直接转变为电信号信号,信号信号处理理电路路简单。影响影响 SnOSnO2 2气敏效气敏效应的主要因素的主要因素（1 1）SnOSnO2 2结构构组成成对气敏效气敏效应的影响的影响 SnOSnO2 2具具有有金金红石石型型晶晶体体结构构，用用于于制制作作气气敏敏元元件件的的SnOSnO2 2，一一般般都

18、都是是偏偏离离化化学学计量量比比的的，在在SnOSnO2 2中中有有氧氧空空位位或或锡间隙隙原原子子。这种种结构构缺缺陷陷直直接接影影响响气气敏敏器器件件特特征征。一一般般地地说，SnOSnO2 2中氧空位多，气敏效中氧空位多，气敏效应明明显。（2 2）SnOSnO2 2中添加物中添加物对气敏效气敏效应的影响的影响 实验证明，明，S SnOnO2 2中的添加物中的添加物质，对其气敏效其气敏效应有明有明显影响。影响。表表7-37-3列出了具有不同添加物列出了具有不同添加物质的的SnOSnO2 2气敏元件的气敏效气敏元件的气敏效应。（3 3）烧结温度和加温度和加热温度温度对气敏效气敏效应的影响的影

19、响 实验证明明，制制作作元元件件的的烧结温温度度和和元元件件工工作作时的的加加热温温度度，对其其气气敏敏性性能能有有明明显影影响响。因因此此，利利用用元元件件这一一特特性性可可进行行选择检测。表表7-3 添加物添加物对SnO2气敏效气敏效应的影响的影响 添加物质 检测气体 使用温度（）PdO,Pd CO，C3H8 酒精 200300 Pd,Pt过渡金属 CO，C3H8 200300 PdCI2，SbCI3 CH4，C3H8,CO 200300 Sb2O3,TiO2TIO3 250300 V2O5，Cu 250400 稀土类 酒精系可燃性气体 过渡金属 还原性气体 250300 Sb2O3,Bi

20、2O3 还原性气体 500800 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200300（4）SnO2气气敏敏元元件件易易受受环环境境温温度度和和湿湿度度的的影影响响，上上图图给给出出了了SnO2气气敏敏元元件件受受环环境境温温度度、湿湿度度影影响响的的综综合合特特性性曲曲线线。由由于于环环境境温温度度、湿湿度度对对其其特特性性有有影影响响，所所以以便便用用时时，通通常常需要加温度补偿。需要加温度补偿。2ZnO(氧化锌氧化锌)系气敏元件系气敏元件 ZnO系系气气敏敏元元件件对对还还原原性性气气体体有有较较高高的的灵灵敏敏度度。它它的的工工作作温温度

21、度比比SnO2系系气气敏敏元元件件约约高高100左左右右，因因此此不不及及SnO2系系元元件件应应用用普普遍遍。同同样样如如此此，要要提提高高ZnO系系元元件件对对气气体体的的选选择择性性，也也需需要要添添加加Pt和和Pd等等添添加加剂剂。例例如如在在ZnO中中添添加加Pd，则则对对H2和和CO呈呈现现出出较较高高的的灵灵敏敏度度；而而对对丁丁烷烷(C4H10)、丙丙烷烷(C4H8)、乙乙烷烷(C4H6)等等烷烷烃烃类类气气体体则则灵灵敏敏度度很很低低，如如下下图图(a)所所示示。如如果果在在ZnO中中添添加加Pt，则则对对烷烷烃烃类类气气体体有有很很高高的的灵灵敏敏度度，而而且且含含碳碳量量

22、越越多多、灵灵敏敏度度越越高高，而而对对H2和和CO气气体体则则灵灵敏敏度度很很低低，如如下下图图(b)所示。所示。三、气体传感器的应用三、气体传感器的应用 气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对用于对O2O2、CO2CO2等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。调装

23、置、酒精浓度探测等方面。(1)(1)、电源电路、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高一般气敏元件的工作电压不高(3V(3V10V)10V)，其工作电压，特别是供给加，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。元件的工作点漂移，影响检测准确性。(2)(2)、辅助电路、辅助电路 由于气敏元件自身的特性由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等温度系数、湿度系数、初期稳定性等)，在，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气

24、敏元设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。漏报现象。(3)(3)、检测工作电路、检测工作电路 这是气敏元件应用电路的主体部分。这是气敏元件应用电路的主体部分。下下图图是是设设有有串串联联蜂蜂鸣鸣器器的的应应用用电电路路。随随着着环环境境中中可可燃燃性性气气体体浓浓度度的的增增加加，气气敏敏元元件件的的阻阻值

25、值下下降降到到一一定定值值后后，流流入入蜂蜂鸣鸣器器的的电电流流，足足以以推推动动其其工工作作而而发发出出报报警警信号。信号。220VBZ 氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR案例案例1.燃气报警器燃气报警器各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。矿山、家庭、娱乐场所等。家用燃气泄漏报警器家用燃气泄漏报警器 下下图是一种最

26、是一种最简单的家用气体的家用气体报警器警器电路。气路。气-电转换器件采用器件采用测试回路高回路高电压的直的直热式气敏元件式气敏元件TGS109TGS109。当室内可燃性气体增加。当室内可燃性气体增加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，降低，这样流流经回回路的路的电流便增加，可直接流便增加，可直接驱动蜂蜂鸣器器报警。警。设计报警警时，应合理合理选择开始开始报警警浓度，度，选低了，灵敏度高，低了，灵敏度高，容易容易产生生误报；选高了，又容易造成漏高了，又容易造成漏报，起不到，起不到报警效果警效果 220VBZ 氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器

27、蜂鸣器BR案例案例2.酒精传感器酒精传感器图为防止酒后开车控制器原理图。图中图为防止酒后开车控制器原理图。图中QMQMJ1J1为酒敏元件。若司机没喝酒，为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关在驾驶室内合上开关S S，此时气敏器件的阻值很高，此时气敏器件的阻值很高，U Ua a为高电平，为高电平，U U1 1低电平，低电平，U U3 3高电平，继电器高电平，继电器K2K2线圈失电，其常闭触点线圈失电，其常闭触点K2-2K2-2闭合，发光二极管闭合，发光二极管VD1VD1通，通，发绿光，能点火启动发动机。发绿光，能点火启动发动机。防止酒后开车控制器原理图防止酒后开车控制器原理图案例案例3.防

28、止酒后开车控制器防止酒后开车控制器若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，为低电平，U1高电平，高电平，U3低低电平，继电器电平，继电器K2线圈通电，线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，通，发红光，以示警告，同时常闭触点以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无断开，仍然无法启动发动机。常闭触点法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保

29、证此控制器处的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。为集成定时器。防止酒后开车控制器原理图防止酒后开车控制器原理图案例案例4：矿灯瓦斯报警器：矿灯瓦斯报警器矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路和报警信号电路构成。如传感器故障的情况下，矿灯每十秒钟闪一次。当矿灯和报警信号电路构成。如传感器故障的情况下，矿灯每十秒钟闪一次。当矿灯在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时，矿灯每秒闪一次。在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时，矿灯每秒闪一次。Thank you！