传感器设计报告10年6月

传感器课程设计题目：Mems气体传感器设计和检测技术姓名： 张虎学号： 0705010611院系：测控技术与通信工程学院班级： 测控07—6班教师： 冯乔华时间：2010年1月8号一设计题目 二题目 介绍mems 介绍传感器组成 什么是二氧化锡 三设计目的 *主要介绍传感器 四设计原理 *气敏电阻传感器… *气敏效应原理 五用途 六电路和参数的设计•••••••••••••••••••••••••••••.*灵敏性 *选择性 *工作温度和环境 *检测原理 七误差分析 八气敏传感器的可靠性及保护原理Mems气体传感器设计和检测技术一设计题目:Mems气体传感器设计和检测技术什么是MEMS技术？MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。MEMS是微机械（微米/纳米级）与IC集成的微系统，即具有智能的微系统，MEMS基于硅微加工技术但不仅限于它。简单来说，MEMS就是对系统级芯片的进一步集成。我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西，像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等，因此MEMS技术是一门多学科交叉的技术。MEMS器件价格低廉、性能优异、适用于多种应用，将成为影响未来生活的重要技术之一。2传感器的构成转衬!辅助电源!传感器组成方框图敏感元件一直接感受被测量（一般为非电量），井输由与被测量成确定关系的其它量（一般为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的变形.敏感元件如果直接输出电量（热电偶），它就同时兼为传感元件了。还有些传感器的敏感元件和传感元件合为一体'如压阻式用力传感器。传感元件一又称变换器，J般情况它不直接感受被测量，而是将做感元件的输出量转换为电量输出的元件。如应变式压力传感器中的应变片就是传盛元件，它的作用是将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化。传感元件有时也直接感受被测是而输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。信号调节与转换电路一能把传感元忤输出的电信号转换为便于显示、记录，处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换电路的种类要视传感元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等等。二目的研制一种可检测空气中CO、SO2、H2S和NO24种气体浓度的一体化小型多功能有害气体快速检测仪，以适用于公共场所、突发事件及平战时空气卫生的监测。方法设计的LK-4有害气体检测仪为4通道泵吸式采样，气体传感器检测被测气体产生相应的电信号，信号采集放大后转换为标准信号，逐一送入模数转换电路被中央处理器读取，经程序计算分析后结果在液晶屏上显示，并对检测结果储存和打印。结果LK24有害气体检测仪主要技术指标:体积为230mmX80mmX210mm;工作温度为-20〜50°C;CO测定范围为0〜625.0mg-m23，最低检出限为0.1mg•m23;SO2测定范围为0〜28.0mg•m23，最低检出限为0.1mg•m23;H2S测定范围为0〜40.0mg・m23，最低检出限为0.1mg・m23;NO2测定范围为0〜41.0mg•m23，最低检出限0.2mg•m23。结论LK24有害气体检测仪具有检测结果准确、精密度高、小型便携、一体化组合、检测结果可储存和打印、稳定性好等特点，可对空气中常见有害气体进行快速检测。三原理介绍1气敏电阻传感器：气敏电阻传感器简称气敏电阻，又称气敏元件，有人称其为“电子鼻”。它的电阻值跟检测气体的浓度(成分)而变化，能将被测气体的浓度(成分)信号转化成相应的电信号。气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器。2气敏效应原理：气敏电阻传感器是由某些非化学配比的金属氧化物半导体材料制成的。这种材料在一定的工作温度下，当其与某些气体接触时，由于表面吸附某种气体分子发生氧化还原反应而引起电阻率的变化。具体地说，这种半导体在200°C〜400。C下，由于表面吸附空气中的氧，形成氧的负离子，使半导体导带中的电子密度减小，静电电阻值升高到100000Q左右。这时，如果遇到能够供给电子的可燃性气体，如氢，一氧化碳，煤气，天然气等类似的气体，原来的吸附的氧又将脱附，放出电子还原，可燃气体以正离子状态吸附在半导体表面，也放出电子，这就是半导体导带中的电子密度增大，电阻值下降。电阻值下降得程度随环境中气体成分和浓度不同而不一样，根据这种变化可以检测气体的成分和浓度。3二氧化锡白色四角品体，密度7,熔点1127摄氏度.不溶于水，稀酸和碱液.溶于浓硫酸与碱共溶形成锡酸盐.用于制造不透明玻璃，瓷铀和玻璃擦光剂.天然产的是锡石.可由锡可在空气中灼烧而制得.又名氧化锡，式量150.7。白色，四方、六方或正交品体，密度为6.95克/厘米3，熔点1630C，于1800〜1900C升华。难溶于水、醇、稀酸和碱液。缓溶于热浓强碱溶液并分解，与强碱共熔可生成锡酸盐。能溶于浓硫酸或浓盐酸。用于制锡盐、催化剂、媒染剂，配制涂料，玻璃、搪瓷工业用作抛光剂。锡在空气中灼烧或将Sn(OH)4加热分解可制得。分子式(Formula):SnO2分子量(MolecularWeight): 150.69CASNo.:18282-10-5主要用途本产品用作电子元器件生产、搪瓷色料、锡盐制造、大理石及玻璃的磨光剂;制造不透明玻璃、防冻玻璃和高强度玻璃等， 还可用于对有害气体的监测。(SnO2为敏感材料制成的“气一一电”转换器。)四用途CO、SO2、H2S、NO2是空气中常见的有害气体,低浓度时可对呼吸系统产生危害，高浓度时,可致人昏迷直至死亡〔123〕。目前快速检测空气中有害气体多采用便携式仪器进行检测，该仪器多为进口，价格较昂贵，且多为单个项目的检测。为快速检测突发事件、公共场所及平战时特殊军事环境中有害气体，我们研制了一种可连续检测空气中CO、SO2、H2S、NO24种气体浓度，对检测结果储存和打印的一体化小型多功能有害气体快速检仪（LK24有害气体检测仪），并对检测结果进行了评测。SnO2薄膜气敏测试系统五电路和参数的设计其中包括：1测量放大电路2前置电路3差动电路4电屏显示电路5报警电路6跟随电路7各种参数数据表

气体传感器是化学传感器的一大门类。从工作原理、特性分析到刻里技术，成所用材料到制造工艺，A检删对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类淮度颇大。1主要特性1.1稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的曜低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。灵敏度灵敏度是指传感器输出变化里与祯删输入变化里之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是迭择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制CTLT-threshdd血ntvalue）或最低爆炸限（LUoeexplosive血涌百分比的检删要有足够的灵敏性。L3迭择性选择性也祯称为交叉灵敏度。可以通过孤里由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等侑于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会曜低孤里的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高迭择性。1.4抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体租分数目标气体中的能力。在气体大里泄漏时，探头应能够承受期望气体体税的数®唯。在返回正常工作条件下，传感器藻移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、迭择性以及稳定性等，主要通过材料的迭择来确定。迭择话当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。A.标准「一作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压W15VACorDCVE加热电压5.0V±0.2VACorDC玲负载电阻可调Rh加热电阻31□士3Q室温Ph加热功耗W900mWB.环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10t-50TCTas储存温度-20X;-701CRh相对湿度小于95%Rho2氧气浓度21%（标准条件）氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于2%C.灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体电阻10KQ■60KQ(lOOOppm甲烷)探测范围：300-5000ppni液化气，天然气，煤气。a(lOOOppm5000ppmCH4)浓度斜率M0.6标准工作条件温度：20°C±2C Vc:5.0V±0.1V相对湿度：65%±5% Vh:5.0V±0.1V预热时间不少于24小时D.结构外形测试电路部件材料1气体敏感层部件材料1气体敏感层—氧化锡2电极金(Au>3测量电极引线钳(Pt)4加热器裸铭合金'：Ni-CrJ5陶瓷管二氧化一铝6防爆网1。。目双层不锈钢（SUB316）7卡环锻镣铜材（Ni-Cu8基座胶木9针状管脚镀镣铜材（Ni-Cu.4・7kC2OQ留4・7kC2OQ留ZOZ3DG6MQ-5气敏元件的结构和外形如图1所示（结构A或B）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。检测电路如图2所示INCW7805

E.灵敏度特性曲线:图3图3给出了MQ-5型气敏兀件的温湿度!0*C,33%RH条件卜lOOOppm氢气中元阻.不同温度，湿度卜，lOOOppm氢气中元阻。R0：元件在洁净空气中的电阻值。图3MQ-5型气敏元件的灵敏度特性各分支测量电路如下:在一根同槌电蝮上登加上直施电勰柿信号，橱咸所谓湖漱励型俞置放文繇,如图一•所示,前置成大春中插入一个电惑器L述搓电摞和信号，烛理装脱嘱的5?端电阻缺+的V即可口善另唯备一租并镣图一所示迷接时,则可用作羞勃型前'置裁大器，曲说IE北衢韵LHi两AE传感器采舜的电压濯旺和电,容d跟图二髀录的情况近似中在V中艘成的电压是宴际核测的时象•朗L0pV-]OmV+C,说为胁〜1皿佃F（SB常坞E00-汹pF）.国二号舰电陆虚锵上注AE传懑器所基要求割戡放大器的性能如下;"；'愉人电雾小ISOpFUT>i以〉低噪声确PK卜以下:h（:的揽审特性约10kHz-2MHst“｝噌益测〜SOdBj秘）内装消瞬机tU*声的枝通波波BCHFF）,瓣如速度侍醪器尊装为鱼荷源可怒略轸氏的井联电卷■故被横线电奔不影响输出电荷保皎度.国五承出电荷前置放大蒲誓效息度噜也吾强C.度噜也吾强C.:伟事事内8电岑■Cx电•电密管口电■,用五琳茵曲置就大看尊我电鼻既三炭用电#虽示电弗加IS三'所示人信号由前控放大器和录音放大器放大.将其镣出给瓯*，词时橱测越过检泱电路临界值（阚，僚｝电平的信号,井便之平滑，这种自动淇整电路的控胸僖号,能使自动调整电路的输出阻抗为变化,R和*之间送行信号分压.输出酒常雷恒电平反械。用这神自动询整的工作点进行重音显示。三甲里学电唇2•,声汁用压电邀膏8S嘿声计用压电微音器是一伸使陶20〜10000H2待殊频率特4的例子.前置放大器用电压缱互补源跟随器电路.图■■-示出电路例.这种电路在成对的FET中由于外加共同的门-源间电压，输入阻抗R口*1+2gM式中R,是源电阻，输出阻抗R. &K"1+2gM根据上两式可斐并高输入阻抗和低轴出阻抗.增大门电阻Rl可获得高幼入阻抗，有利于低噪*放大器.FET的对祢特姓使放大?!失真小.由衣 RR£it电＞4压电加速度怜壕挥能够产生跟压电元件上瓶如的加速度成代倒的电痢，可认为压电元电容器乂联连接的高电阻器，图七示同等效电陶。这料加速度传感器是电容性的，箕输出信号的匾抗等常高,蔺输出电匝通情燧藏电平'因就，前憧披大费专具备的.功熊『一是跟校撕群的阻抗匹配，二是椅愕感器的被小辎出信号放大.已;施峭日件产星前卑举已;施峭日件产星前卑举厂."£电无耳电籍最盅；座电史挣里It<♦效电赌（一）气敏电阻的引脚图”气敏电阻一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。-气敏电阻的引脚如下图所示°它的引脚有六个，其中的两个A,两个B相连后成为气敏电阻的输出引线，两个。为加热器引线。z气敏电阻的外形恻视图和底视引卿图uf-f：加热电根；气敏电阻的外形恻视图和底视引卿图uf-f：加热电根；AA、BB：气敏电阻电根」气敏电阻的符号P（二）气敏电阻的基本工作电路如右图所示，其中的G为气敏电阻的加热电源，口为气敏电阻的测量电源。（三）气敏电阻的工作原理及特由 *工作原理… 瓦―土气敏电阻是一神半导体敏感器件，它利用半 Y导体材料对气体的吸附而使自身电阻率发生变化的机理进行测量的元件.制作气敏电阻的氧化物半导体材料主要有SnO>ZnO及珏：3萼。为了提高某神气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,材料中还掺入催化剂,如钙（Pd）■钮（Pt）、银（Ag）等，它们的添加物质不同，能检测的气体也不同n，如速度传感器的研究哀明，电压源整求前管敢大希的电压及敏度不随工作藐率降低.成理您的是否峰世唇压灵辄度的电容性负藏和低频带灵敏度的电导贝戮•但由于加建度传感SS被覆统电睿等负载忽略不计，这些负款的高榆入阻抗电压前置放大器儿平不可能实现。电匡的宜成大器等效电路和实用电第如秘八所示，如果加逐度是角逃度0的正技波，刑临出电压E=—/—=C4-j（dC.G+jwC式中I是电路电流是电荷电策&是电路电导;C~G+Cc<Cs是压电元件电容+««线负就电容）.这时,若G《加C,则^E=Q$/C ,由上式可知，因为谦接鼓曜线的电容会母响电旧灵靖技，故使用时被覆线的玲度应适当.此外,在低策时】由于G籽必故E玲j^RQs因此，低频下限胺平f1C：电既电胃k.a（aiKx«if««tK低质下限频率取决于加速度传感器的内部电阻和电容.通常决定于电压前置故大洛的输入阻抗"F限频率为0.1Hz.图大示出实用电路“S八实用电H七误差分析：1灵敏度：传感器输出的变量△：/与引起的变化量Ax之比即为其静态灵敏度，其表达式为K=^y/^x由此可见，传感器输出的曲线的斜率就是其灵敏度。对于有线性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度K是以常数，与输入量大小无关。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即Rs=（△k/k）*100%2温度及其补偿温度稳定性又称温度漂移，它是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。测试时先将传感器置于一定温度（如20°c），将其输出调至零点或某一特性定点，使温度上升或下降一定的度数（如5°c），再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。温度稳定性误差用温度每变化若干°c的绝对误差或相对误差表示。每。c引起的传感器误差又称为温度误差系数。所以一定要控制在固定的温度。确保在测量时温度尽量不要变化。半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。常用的温度补偿电路如右图所示，在比较器的反相输入端接入负温度系数的热敏电阻RT。当温度降低时，气敏电阻值变大，u+变小，而此时Rt阻值增大，使比较器的基准电压U也变小；同理，温度升高时，气—敏电阻值变小，u+变大的同时，RT阻值减 气敏电阻温度补偿电路小，使比较器的基准电压u+增大，从而达到温度补偿的目的。1.热线性气体传感器NAP-55A/50ANAP55A对所有可燃性气体都很灵敏，而NAP—50A只对酒精不敏感。传感器电源电压：DC2.50V±0.25V或AC2.50V±0.25V。电流（在2.5V供电时）：160〜180mA。输出电压：-35〜+35mV。工作环境：温度为-10°C〜+50°C，湿度小于95%RH。催化型不完全燃烧气体传感器NAP-70NAP70只对一氧化碳和氢气有高灵敏度，对其他气体则是低灵敏度。电桥电源电压为2.4V±0.12V,传感器可以采用交流或直流电压，但从稳定性考虑，应

使用稳定的直流电源。电桥消耗电流为20〜40mA。NAP-70型传感器提供了足够的输出电压，可以检测出低至几百ppm的CO气体浓度。另外，使用了一种特殊的催化剂，使传感器对CO气体在更低的加热温度下获得更高的可能灵敏度。传感器电源电压：DC2.40V±0.12V或AC2.40V±0.12V。电流（在2.4V供电时）：20〜40mA。工作时的环境：温度为一10°C〜+50°C，湿度小于95%RH。热线型气体传感器NAP-11AFLNAP-11AFL是一种可以检测火炉或其他烟雾设备中所含的低浓度CO气体的热线型气体传感器，对低浓度范围的CO气体具有很高的灵敏度（小于200ppm）。传感器电源电压：小于15V（DC或AC）。加热器电压：在加热时为5.5V±0.3V，在正常工作时为0.8V±0.04V（AC或DC）。加热器电流：在加热时（电压为5.5V）为170mA〜190mA，在正常工作时（电压为0.8V）为25mA〜40mA。工作时的环境：温度为一10C〜+70C，湿度小于95%RH。八气敏传感器的可靠性及保护原理4.5V^—+47pF10Q-N54.5V^—+47pF10Q-N5超额报警电路半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。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，被吸附的分子首先在表面自由扩散，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吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。利用这种半导体气敏传感器和相应的电路即可构成超限报警电路。参考资料姚敏琪./r