气敏传感器及信号调理电路

1、气敏传感器及信号调理电路及信号调理电路一概述二分类三电阻型传感器四非电阻型传感器五接触燃烧式气敏传感器六气敏传感器的应用 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。 气体与人类的日常生活密切相关：如在用气体、煤炭作为燃料的场合，由于燃烧不完全，会产生大量有毒一氧化碳气体，如果室内通风不良或排气不畅就会使人中毒；在煤矿井下，甲烷等可燃性气体超标易产生瓦斯爆炸；司机饮酒过度易造成交通事故等。说以气体检测在改善和保护人类的生活环境具有重要意义。概述一一气敏传感器的主要应用领域各种各

2、种气体气体各种各种气体气体H H2 2O OCOCO2 2O O2 2工农业工农业COCOH H2 2O O乙醇乙醇NONOX XSOSOX XCOCO油气油气H H2 2S SHCNHCNO O2 2COCOCOCO2 2气敏气敏元件元件可燃气可燃气环保环保医用医用民用民用安全安全LPLP有害气有害气COCO可燃气可燃气COCO有机气有机气COCO大大气气污污染染锅锅炉炉及及引引擎擎医医院院防灾防灾民民用用厨厨房房集集体体住住宅宅群群工厂工厂研究所研究所农林农林某些机关某些机关工业工业农业农业船舶船舶地铁等地铁等 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，

3、能实现气-电转换的传感器种类很多。 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，还是内部，可划分为表面控制型和体控制型两类； 按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。 从构成材料可将从构成材料可将 气敏传感器归为两类类：气敏传感器归为两类类：半导体、非半导体半导体、非半导体气敏传感器的分类2 2电阻型非电阻型表面控制型体控制性表面控制型SnO2、ZnO等的烧结体、薄膜、厚膜原件结构原件结构氧化钛、氧化镁、SnO2铂-硫化镉、铂-氧化钛铂栅、钯栅检测对象检测对象可燃性气体酒精、可燃性气体、氧气氢气、一氧化碳、酒精氢气、硫化氢类型类型类别类别 当表面吸附某种气体时会引起电

4、导率的变化。图为烧结体N型半导瓷的模型，导电通路的等效电路如图所示。Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs为晶体的等效表面电阻。Rb的阻值较低，不受吸附气体影响。Rn、Rs受吸附气体控制，Rn远大于Rb ，Rs远大于Rb，所以Rs被短路，因而只等效成Rn串联的电路。半导陶瓷气敏电阻的阻值随气体的数量和种类而改变。电阻型传感器3 33.1表面电阻控制型传感器由于空气中的含氧量大体上是恒定的，由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可度发生变化

5、，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。氧氧 化化 性性 气气 体体 吸吸 附附响响 应应 时时 间间 60s还还 原原 性性 气气 体体 吸吸 附附加加 热热稳稳定定气气 体体 吸吸 附附大大 气气 中中1 10 0s s2 2m mi in n4 4m mi in n1 10 00 05 50 05 5- - - -R R( (K K ) )N型半导体吸附气体时的器件电阻变化。 通电后，元件被加热，阻值迅速下降，一般经210min后，阻值达稳定状态，这一状态称为初始稳定状态。到达初始稳定状态时间的长短与环境条件有关。

6、必须指出，使用元件时必须预热，待元件达到初始稳定状态时，才能开始测量。 当被测气体与加热的气敏电阻接触时，首先气体分子在其表面扩散，然后被气敏电阻吸附。加热电极的作用是提高气敏电阻的吸附能力。气敏电阻对被测气体的吸附作用有两种形式，一是以阴离子形式被吸附；二是以阳离子形式被吸附。3.2体电阻控制型传感器 体电阻控制型气敏元件，受到外界氧分压强，或还原性气体的还原作用，致使晶体中的结构缺陷发生变化，随之体电阻发生变化。这种变化是可逆的，当待测气体脱离后气敏元件又恢复原状。 当它与气体接触时，随着气体浓度的增加形成Fe2+离子，而变成Fe3O4，使器件的体电阻下降。当被测气体脱离后，它又被氧化，即

7、恢复原状态。0.050.10.20.51.0-1002005001000气体浓度(%Vol)空气CH4H2C2H5OHC3H8i-CH4H1050电阻(K ) 氧化铁系气敏元件氧化铁系气敏元件-Fe-Fe2 2O O3 3气敏元件气敏元件 非电阻型气敏传感器目前主要有二极管、场效应管及电容型集中。它是利用MOS二极管的电容电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。 非电阻型气敏传感器4 4 MOS结构的钯-MOS二极管敏感原件，总电容C是栅极偏压U的函数，其函数关系称为MOS管的电容电压特性利用其C-U特性明显地有变化。MOSMOS二极管气敏器

8、件二极管气敏器件结构和等效电路结构和等效电路 MOS二极管气敏器件的CU特性 当传感器工作时，由于钯在吸附H2后，会使钯的功函数降低，从而引起MOS管的CU特性向负偏压方向平移，如图所示，由此可测定H2浓度。 其漏极电流ID有栅压控制，将栅极和漏极短路，在源极和漏极之间加电压，ID的计算式为ID=（UG-UT）2，始终UT为ID流过时最小临界电压值。 在测量中，UT会随空气中所含H2浓度的增高而降低。P SiNNAlSiO2DSPd栅可燃性气体可燃性气体( (H2、CO、CH4等等) )与空气中的氧与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生接触，发生氧化反应，产生反应热反应热( (无焰接触无焰接触燃

9、烧热燃烧热) )，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高性气体的浓度都不太高( (低于低于10) )，可燃性，可燃性气体可以完全燃烧，其气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体发热量与可燃性气体的浓度有关的浓度有关。 接触燃烧式气敏传感器5-主要用于可燃性气体的检主要用于可燃性气体的检测测图中图中F1是是检测元件检测元件；F2是是补偿元件补偿元件，其作用是，其作用是补偿可燃性补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化

10、等因素所引起的偏差的偏差。工作时，要求在。工作时，要求在F1和和F2上保持上保持100mA200mA的电的电流通过，以供可燃性气体在检测元件流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应上发生氧化反应( (接接触燃烧触燃烧) )所需要的热量。当检测元件所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用由于剧烈的氧化作用( (燃烧燃烧) )，释放出热量，使得检测元件的，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，在温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差间产生电位差E。 2110211RRRRRRRREEF

11、FFFF因为因为RF很小，且很小，且RF1R1=RF2R2 FFFFFRRRRRRRREE12212110AF2F1MR1R2CBDW2W1E0这样，在检测元件这样，在检测元件F1和补偿元件和补偿元件F2的电阻比的电阻比RF2/RF1接近接近于于1的范围内，的范围内，A，B两点间的电位差两点间的电位差E，近似地与，近似地与RF成成比例。在此，比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化度变化(燃烧热燃烧热)引起的，是与接触燃烧热引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧可燃性气体氧化反应热化反应热)成比例的。即成比例的。即RF可用下式表示可用下式表示 212110FFRRRRREkFFFRRRkE12CQmCHTRF如果令如果令则有则有检测元件的电阻温度系数；检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接