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1、1,气体传感器,2,1 概述,分类：,基本性能要求： 选择性；重复性；实时性。,3,2 半导体气敏器件,2.1 电阻型半导体气敏器件,SnO2、ZnO、Fe2O3等材料存在气敏效应，当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化。 作为传感器，还要求这种反应必须是可逆的。 SnO2 ZnO,4,SnO2气敏元件特点： 工作温度低；输出信号大，无需高倍放大；应用范围最广 工作原理：,SnO2和空气中电子亲和性大的气体 发生反应，形成吸附氧束缚晶体中的电 子，使器件处于高阻状态； 与被测气体接触，与吸附氧发生反应; 元件表面电导增加，电阻减小。 提高器件的选择性和灵敏度的措施：参 杂改善前者，设置合适的工
2、作温度、改 进制备工艺可改善后者。,2.1 电阻型半导体气敏器件,5,SnO2气敏元件工艺： 多采用烧结工艺，以多孔SnO2陶瓷为基底材料，再添加不同的其他物质，用制陶工艺烧结而成，烧结时埋入加热电阻丝和测量电极。此外，还有薄膜型与厚膜型两种工艺。,2.1 电阻型半导体气敏器件,烧结型,厚膜型,6,原理和SnO2相似，有烧结型、厚膜型、薄膜型,ZnO 系气敏元件,WO3系气敏元件：在石英底上蒸上一层Pt-Au,再蒸发上一层薄 W，通过热氧化作用使之转化成WO3。 非晶态 SiO2： 掺杂Fe2+离子,其他气敏元件,2.1 电阻型半导体气敏器件,7,电阻型气体传感器的主要特性参数： 固有电阻R0
3、和工作电阻RS 灵敏度S S RS / R0 响应时间T1 恢复时间T2 加热电阻RH和加热功率PH 电阻型气体传感器优缺点： 成本低、制造简单、灵敏度高、响应快、寿命长、对湿度敏感低、电路简单。 工作于高温下、选择性较差、元件参数分散、稳定性不理想、功率要求高、当探测气体中混有硫化物时容易中毒。,2.1 电阻型半导体气敏器件,8,2.2.1 结型气敏器件,2.2 非电阻型半导体气敏器件,结型气敏器件又称气敏二极管，是利用气体改变二极管的整流特性。,在常温下选择性地对硅烷响应，灵敏度高。,将金属与半导体结合做成整流二级管，其整流作用来源于金属和半导体功函数的差异，随着功函数因吸附气体而变化，其
4、整流作用也随之变化,9,利用MOS二极管的电容-电压特性的变化,通过在抛光的钨基上沉积重硼P型金刚石膜，再镀上一层无杂质金刚石，在850度下退火，最后在金刚石表面热蒸发金属钯形成钯电极，它对氢气的敏感度高。,MOS二级管气敏元件,Schottky二极管,2.2.1 结型气敏器件,10,2.2.2 MOSFET型气敏器件,2.2 非电阻型半导体气敏器件,气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值电压UT改变，利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。,11,2.2.2 MOSFET型气敏器件,氢气敏MOSFET是一种最典型的气敏
5、器件，它用金属钯(Pd)制成钯栅。在含有氢气的气氛中，由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致MOSFET的阈值电压UT发生变化。使用时常将栅漏短接，可以保证MOSFET工作在饱和区，此时的漏极电流 ，利用这一电路可以测出氢气浓度。,氢气敏MOSFET特点： 灵敏度：氢气浓度高，则变低；氢气浓度低，则变高。 气体选择性高（氢气） 响应时间：温度越高，氢气浓度越高，则响应越快 稳定性：在HCl气氛中生长一层SiO2绝缘层可改善UT随时间漂移特性,12,3 固体电解质气体传感器,固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，当用作气体传感器时，它是
6、一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。电导率高，灵敏度和选择性好。,设电极的氧分压分别为 、 ，则在两电极发生如下反应：,上述反应的电动势用能斯特方程表示：,浓差电池原理,应用实例见教材,13,接触燃烧式气体传感器*,原理： 可燃性气体与空气中的氧接触，发生氧化反应,产生反应热，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温度的关系具有良好的线性关系。,接触燃烧式气敏元件的检测电路,F1是气敏元件，F2是补偿元件，当F1与气体接触时，产生氧化作用，释放热量，使气敏元件温度上升，电阻增大，电桥不再
7、平衡，A、B间产生电位差E。,3 固体电解质气体传感器,14,A、B间的电位差E与可燃性气体的浓度m成正比,接触燃烧式气敏元件的感应特性,接触燃烧式气体传感器,15,4 其他气体传感器,采用新材料的气体传感器,根据所用的换能器可分为： 高分子电阻式气体传感器 浓差电池式气体传感器 声表面波（SAW）式气体传感器 石英振子式气体传感器,16,4 其他气体传感器,光学式气体传感器,1 差动吸收法光纤元件远距离测量系统 用可见光吸收遥测NO2浓度 用近红外光遥测CH4浓度 2 光纤NH3气体传感器,光纤气体传感器,微生物气体传感器和仿生气体传感器,一些常用的气体传感器,17,5 气体传感器的应用,5.1 简易家用气体报警,采用直热式气敏传感器TGS09，当可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触导可燃性气体而电阻降低，回路电流增加，驱动蜂鸣器BZ报警。,18,5 气体传感器的应用,5.2 有害气体鉴别、报警与控制,一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可以自动控制排气扇排气，使室内空气清新。,19,5 气体传感器的应用,5.3 烟雾报警器,20,5 气体传感器的应用,5.4 酒精检测报警器,