传感器应用技术 课件 知识点：5.5 气敏传感器及应用

传感器应用技术项目五

基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作气敏传感器所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或看测量其浓度的传感器总称。早在20世纪30年代就已经发现氧化亚铜的电导率随水蒸气的吸附而发生变化，其后又发现许多其他金属氧化物也都具有气敏效应。这些金属氧化物都是利用陶瓷，简称半导磁。由于半导磁与半导体单晶相比具有工艺简单，价格低廉的优点，因此已经用它制作了多种具有使用价值的敏感元件。气敏传感器进入70年代，SnO2（氧化锡）半导体气敏元件发展很快。除推进烧结型SnO2气敏元件的应用研究之外，对薄膜型、厚薄膜型SnO2气敏元件进行了深入研究。尤其是对能够识别检测气体种类和浓度的选择性气敏器件，作了大量工作。气敏传感器氧化锡半导体气敏元件与其他类型气敏元件相比，具有如下特点：1、气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系。2、SnO2材料的物理或化学稳定性较好。3、SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附时间短，可连续延长时间；4、元件结构简单、成本低、可靠性较好，机械性能良好；5、对气体检测不需要复杂的处理设备，信号处理可不用高倍数放大电路就可实现。气敏传感器SnO2的基本性质SnO2是一种白色粉末，密度为6.16~7.02g/cm3，熔点为1127℃，在更高温度下才能分解，沸点高于1900℃的金属氧化物。SnO2不溶于水，能溶于热强酸和碱。SnO2晶体结构是金红石型结构；具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡（Sn）离子占据。气敏传感器SnO2的气敏效应是在多晶SnO2材料上发现的。经实验发现，SnO2对多种气体具有气敏特性。用烧结法或制模法制备的多孔型SnO2半导体材料，其电导率随接触气体的种类而变化。一般吸附还原性气体时电导率升高，而吸附氧化性气体时其电导率降低。这种阻值变化情况如图所示。气敏传感器实验及理论分析表明，SnO2的气敏效应受下列一些主要因素的影响：1.SnO2结构组成对气敏效应的影响SnO2具有金红石型浸提结构，用于制作气敏元件的SnO2，一般都是偏离化学计量比的，在SnO2中氧空位或锡间隙原子。这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，SnO2中氧空位多，气敏效应明显。2.SnO2中添加物对气敏效应的影响实验证明，SnO2的添加物质，对其气敏效应有明显影响。3.烧结温度和加热温度对气敏效应的影响实验证明，制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对其气敏性能有明显影响。因此，利用元件这一特性可进行选择性检测。气敏传感器SnO2气敏元件的结构SnO2气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。其中烧结型气敏元件时目前最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。烧结型SnO2气敏元件时以多孔质陶瓷SnO2为基材，采用传统制陶方法，进行烧结。烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制作元件，按其加热方式可分为直热式和旁热式两种。气敏传感器1.直热式SnO2气敏元件直热式元件又称为内热式，这种元件的结构示意如图（a），元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在SnO2基材内，工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。气敏传感器直热式气敏元件的优点是：制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内QN型和QM型气敏元件，日本弗加罗TGS109型气敏元件就是这种结构。直热式气敏元件的缺点是：热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热时和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。气敏传感器2.旁热式SnO2气敏元件这种元件的结构示意如图（a）。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。气敏传感器这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。所以。这种元件的稳定性，可靠性较直热式有所改进。目前国产QM-N5型气敏元件，日本弗加罗TGS812、813型气敏元件均采用这种结构。气敏传感器气敏传感器的应用半导体气敏元件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长和成本低等优点，所以得到了广泛的应用。

这里以烧结型SnO2半导体气敏元件的应用为主，重点介绍了对可燃性气体、易燃和可燃性液体蒸汽泄漏的检测、报警和监控等方面的实际应用。气敏传感器1.检漏仪或称探测器它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中的气-电转换元件，配以相应的电路、指示仪或声光显示部分而组成的气体探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。气敏传感器2.报警器这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。气敏传感器3.自动控制仪器：它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制的仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。气敏传感器4.测试仪器：它是利用气