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1、第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例第第11章章 氣體檢測(cè)傳感器及應(yīng)用案例氣體檢測(cè)傳感器及應(yīng)用案例11.1 熱傳導(dǎo)式氣體傳感器熱傳導(dǎo)式氣體傳感器11.2 接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器11.3 氧化鋯氧氣傳感器氧化鋯氧氣傳感器11.4 恒電位電解式氣體傳感器恒電位電解式氣體傳感器11.5 伽伐尼電池式氣體傳感器伽伐尼電池式氣體傳感器11.6 半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器11.7 氣敏傳感器的應(yīng)用案例氣敏傳感器的應(yīng)用案例返回主目錄第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例第第11章章 氣體檢測(cè)傳感器及應(yīng)用案例氣體檢測(cè)傳感器及應(yīng)用案例 隨著社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，煤炭、化工、電力企業(yè)的快速發(fā)展，及時(shí)、

2、準(zhǔn)確地對(duì)易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制已成為當(dāng)前首要解決的問(wèn)題。目前對(duì)氣體的檢測(cè)主要是對(duì)氣體成分檢測(cè),它包括確定氣體的化學(xué)組成和各種成分的相對(duì)含量?jī)刹糠謨?nèi)容。氣體成分檢測(cè)的方法很多，常用的主要有電化學(xué)式、熱學(xué)式、光學(xué)式及半導(dǎo)體氣敏式等等。其中，電化學(xué)式又有恒電位電解式、伽伐尼電池式、氧化鋯濃差電池式等幾種；熱學(xué)式又有熱傳導(dǎo)式、接觸燃燒式等幾種；光學(xué)式又有紅外吸收式等。下面介紹幾種常用的氣體成分檢測(cè)傳感器。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例11.1熱傳導(dǎo)式氣體傳感器熱傳導(dǎo)式氣體傳感器一、熱傳導(dǎo)檢測(cè)原理一、熱傳導(dǎo)檢測(cè)原理 熱傳導(dǎo)是同一物體各部分之間或互相接觸的兩物體之間傳熱的一種

3、方式，不同物質(zhì)其導(dǎo)熱能力是不一樣的，通常用導(dǎo)熱系數(shù)的大小來(lái)表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱。下表是常見(jiàn)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 對(duì)于多種氣體組成的混合氣體，隨著成分含量的不同，其導(dǎo)熱能力將會(huì)發(fā)生變化。如混合氣體中各種氣體成分彼此之間無(wú)相互作用，實(shí)驗(yàn)證明混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)可近似用下式表示：式中：i混合氣體中第i種氣體成分的導(dǎo)熱系數(shù)；Ci混合氣體中第i種氣體成分的體積百分含量。若混合氣體中只含有兩種氣體，則第一種氣體的百分含量與混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系可寫(xiě)為 上式表明兩種氣體組分的導(dǎo)熱系數(shù)差異越大，測(cè)量的靈敏度越高。(11-1)(11-2)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例二、熱傳導(dǎo)

4、檢測(cè)器二、熱傳導(dǎo)檢測(cè)器熱傳導(dǎo)檢測(cè)器是把混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化的部件，它是熱傳導(dǎo)傳感器的核心部件,又稱(chēng)為熱導(dǎo)池。圖圖11-1 熱導(dǎo)熱導(dǎo)池池結(jié)結(jié)構(gòu)示意構(gòu)示意圖圖 圖11-1是熱導(dǎo)池的一種結(jié)構(gòu)示意圖。它是由金屬制成的圓柱形氣室，氣室的側(cè)壁上有分析氣體的進(jìn)出口，氣室中央裝有根細(xì)的鉑或鎢熱電阻絲。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 電阻絲通以電流后產(chǎn)生熱量，并向四周散熱，當(dāng)熱導(dǎo)池內(nèi)通入待分析氣體時(shí)，電阻絲上產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)氣體進(jìn)行傳導(dǎo)，熱平衡時(shí)，即電阻絲所產(chǎn)生的熱量與通過(guò)氣體熱傳導(dǎo)散失的熱量相等時(shí)，其電阻值也維持在某一數(shù)值。電阻值的大小與所分析混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。氣體的導(dǎo)熱系

5、數(shù)愈大，說(shuō)明導(dǎo)熱散熱條件愈好。熱平衡時(shí)電阻絲的溫度愈低，電阻值也愈小。這就實(shí)現(xiàn)了把氣體的導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電阻絲電阻值的變化。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 根據(jù)分析氣體流過(guò)檢測(cè)器的方式不同，熱傳導(dǎo)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)可以分為直通式、擴(kuò)散式和對(duì)流擴(kuò)散式三種。圖11-2(a)為擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是反應(yīng)緩慢，滯后較大，但受氣體流量波動(dòng)影響較??；圖11-2(b)為目前常用的對(duì)流擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)，氣體由主氣路擴(kuò)散到氣室中，然后由支氣路排出，這種結(jié)構(gòu)可以使氣流具有一定速度，并且氣體不會(huì)產(chǎn)生倒流。圖11-2 熱傳導(dǎo)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例三、測(cè)量電路三、測(cè)量電路 熱傳導(dǎo)式氣體傳感器通常采用電橋

6、作為測(cè)量電路。它又有單電橋和雙電橋之分。圖11-3為熱傳導(dǎo)氣體傳感器中常用的單電橋測(cè)量電路。圖圖11-3 單電橋測(cè)量量電路路 電橋由四個(gè)熱導(dǎo)池組成,每個(gè)熱導(dǎo)池的電阻絲作為電橋的一個(gè)橋臂電阻。R1、R3的熱導(dǎo)池稱(chēng)為測(cè)量熱導(dǎo)池，通入被測(cè)氣體；R2、R4的熱導(dǎo)池稱(chēng)為參比熱導(dǎo)池，氣室內(nèi)充入測(cè)量的下限氣體。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 當(dāng)通過(guò)測(cè)量熱導(dǎo)池的被測(cè)組分含量為下限時(shí)，由于四個(gè)熱導(dǎo)池的散熱條件相同，四個(gè)橋臂電阻相等，因此電橋輸出為零。當(dāng)通過(guò)測(cè)量熱導(dǎo)池的被測(cè)組分含量發(fā)生變化時(shí)，R1、R3電阻值將發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出信號(hào)的大小反映了被測(cè)組分的含量多少。單電橋電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)受電源

7、電壓的波動(dòng)以及環(huán)境溫度的變化影響比較大。采用雙電橋電路可以較好地解決這些問(wèn)題。下圖11-4是熱傳導(dǎo)式氣體傳感器中使用的雙電橋測(cè)量電路原理圖。為測(cè)量電橋，它與單電橋電路相同，其輸出電壓ucd的大小反映了被測(cè)組分的含量。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例為參比電橋，R5、R7的熱導(dǎo)池中密封著測(cè)量上限的氣體,R6、R8的熱導(dǎo)池中密封著測(cè)量下限的氣體，其輸出的電壓uhg是一固定值。圖圖11-4 雙電橋測(cè)量電路雙電橋測(cè)量電路第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 電橋采用交流電源供電，變壓器兩個(gè)副邊提供的兩個(gè)電壓是相等的。ucd與滑線(xiàn)電阻A、C間的電壓uAC之差 加在放大器輸入端，信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，

8、從而帶動(dòng)滑線(xiàn)電阻滑動(dòng)觸點(diǎn)C向平衡點(diǎn)方向移動(dòng)。當(dāng)ucd=uAC，即 =0時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，平衡點(diǎn)C的位置反映了混合氣體中被測(cè)組分的含量。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例11.2 接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器是煤礦瓦斯檢測(cè)的主要傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是接觸燃燒式氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)于可燃性氣體爆炸下限以下濃度的氣體含量，其輸出信號(hào)接近線(xiàn)性；每個(gè)氣體成分的相對(duì)靈敏度與相對(duì)分子質(zhì)量或分子燃燒熱成正比；對(duì)不可燃性氣體沒(méi)有反應(yīng)，只對(duì)可燃性氣體有反應(yīng)；不受水蒸氣的影響；第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例接觸燃燒式氣體傳感器的缺點(diǎn)是：接觸燃燒式氣體傳

9、感器的缺點(diǎn)是：儀器工作溫度較高，表面溫度一般在300400之間,而在內(nèi)部可達(dá)到700800；對(duì)氫氣有引爆性；元件易受硫化物，鹵化物及砷、氯、鉛、硒等化合物的中毒影響；易受高濃度可燃性氣體的破壞。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例一、基本工作原理一、基本工作原理 由于低于下限爆炸濃度的易燃?xì)怏w接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故稱(chēng)做接觸燃燒式傳感器，又稱(chēng)作催化燃燒式傳感器。傳感器工作溫度在高溫區(qū)，目的是使氧化作用加強(qiáng)。接觸燃燒式傳感器由加熱器、催化劑和熱量感受器三部分組成。它有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是用裸鉑絲作氣體成分傳感器件，催化劑涂在鉑絲表面，鉑絲線(xiàn)圈本身既是加熱器，又是催化

10、劑，同時(shí)還是熱量感受器。另一種是用載體作為氣體成分傳感器，催化劑涂于載體上，鉑絲線(xiàn)圈不起催化作用，而僅起加熱和熱量感受器的作用。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 線(xiàn)圈是用純度99.999%的鉑絲繞制而成，線(xiàn)徑為0.0070.25mm，20時(shí)的阻值約為58。鉑絲線(xiàn)圈的作用是通以工作電流后，將傳感器工作溫度加熱到瓦斯氧化的起始溫度(450左右)。圖圖11-5 接觸燃接觸燃燒燒式氣敏式氣敏元件結(jié)構(gòu)元件結(jié)構(gòu) 目前廣泛使用的接觸燃燒式氣體傳感器是第二種結(jié)構(gòu)形式，氣敏元件主要由鉑絲、載體和催化劑組成，其結(jié)構(gòu)如圖11-5所示。對(duì)溫度敏感的鉑絲，當(dāng)瓦斯氧化反應(yīng)放熱使溫度升高時(shí),其阻值增大，以此來(lái)檢測(cè)瓦斯的濃度

11、。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 載體是用氧化鋁燒結(jié)而成的多孔晶狀體，本身沒(méi)有活性，對(duì)檢測(cè)輸出信號(hào)沒(méi)有影響，其作用是保護(hù)鉑絲線(xiàn)圈，消除鉑絲升華，保證鉑絲的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，承載催化劑，使催化劑形成高度分散的表面，提高催化劑的效用。催化劑多采用鉑、鈀或其他過(guò)渡金屬氧化物，其作用是促使接觸元件表面的瓦斯氣體發(fā)生氧化反應(yīng)。在催化劑的作用下，瓦斯中的主要成分沼氣與氧氣在較低的溫度下發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)(無(wú)焰燃燒)，反應(yīng)化學(xué)式為(11-3)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 實(shí)際應(yīng)用中，往往將氣體敏感元件和物理結(jié)構(gòu)完全相同的補(bǔ)償元件放入防爆罩內(nèi)，如圖11-6所示。防爆罩由銅粉燒結(jié)而成，其作用是隔爆，限

12、制擴(kuò)散氣流，以削弱氣體對(duì)流的熱效應(yīng)。圖圖11-6 接觸燃接觸燃燒式式氣敏氣敏傳感器感器結(jié)構(gòu)構(gòu)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 如果氣體溫度低，而且是完全燃燒時(shí)，引起鉑絲電阻值的變化量可表示為：式中：R氣體傳感器的阻值變化量；氣體傳感器的電阻溫度系數(shù)；T氣體燃燒引起的溫度上升值；H氣體燃燒所產(chǎn)生的熱量；C氣體傳感器的熱容量;m氣體濃度；Q氣體的分子燃燒熱；A常數(shù)。(11-4)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 當(dāng)氣體傳感器的材料、形狀和結(jié)構(gòu)決定后，若被測(cè)氣體的種類(lèi)也固定，則傳感器的電阻變化量R與被測(cè)氣體濃度m成正比，即 二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路 接觸燃燒式氣體傳感器基本測(cè)量電路也是電橋電路。其測(cè)量

13、電路結(jié)構(gòu)如圖11-7所示。圖圖11-7 基本測(cè)量電路基本測(cè)量電路第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 這種傳感器可以檢測(cè)空氣中的許多種氣體或汽化物，包括甲烷、乙炔及氫氣等，但是它只能測(cè)量含有一種易燃?xì)怏w的濃度或混合氣體的濃度，而不能分辨其中單獨(dú)的化學(xué)成分。實(shí)際應(yīng)用接觸燃燒式氣敏傳感器時(shí)，人們感興趣的是易燃危險(xiǎn)氣體是否存在，檢測(cè)是否可靠，而不管其氣體內(nèi)部成分如何。因此該種傳感器以滿(mǎn)足人們對(duì)易燃易爆氣體的檢測(cè)要求。接觸燃燒式傳感器具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、精度高,并且不受周?chē)鷾囟群蜐穸茸兓挠绊懙葍?yōu)點(diǎn)。另外，傳感器元件容易被硅化物、硫化物和氯化物所腐蝕，在氧化鋁表面造成永久性的損壞。第11章 氣敏傳感

14、器及其應(yīng)用案例11.3氧化鋯氧氣傳感器氧化鋯氧氣傳感器一、檢測(cè)原理一、檢測(cè)原理 氧化鋯(ZrO2)是一種具有氧離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)。純凈的氧化鋯一般是不導(dǎo)電的，但當(dāng)它摻入一定量(通常為15%)的氧化鈣CaO(或氧化釔Y2O3)作為氧化劑，并經(jīng)高溫焙燒后，就變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯材料，這時(shí)被二價(jià)的鈣或三價(jià)的釔置換，同時(shí)產(chǎn)生氧離子空穴，空穴的多少與摻雜濃度有關(guān)，并在較高的溫度下，就變成了良好的氧離子導(dǎo)體。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 氧化鋯氧氣傳感器測(cè)量氧含量是基于固體電解質(zhì)產(chǎn)生的濃差電勢(shì)來(lái)測(cè)量的，其基本結(jié)構(gòu)如圖11-8所示。在電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：電池正極 電池負(fù)極 圖圖11-8 氧化氧化

15、鋯氧氣氧氣傳感器感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例濃差電動(dòng)勢(shì)的大小可由能斯特方程表示，即式中：E濃差電池的電動(dòng)勢(shì)；P1待測(cè)氣體的氧分壓。R理想氣體常熟；P0參比氣體的氧分壓；T氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)溫度；F法拉第常數(shù)；n參加反映的電子數(shù)（n=4）根據(jù)道爾頓分壓定律，有(11-8)式中：C0參比氣體中的氧含量；C1待測(cè)氣體中的氧含量。(11-7)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例因此，式(11-7)可寫(xiě)為(11-9)由上式可知，若溫度T保持某一定值，并選定一種已知氧濃度的氣體作參比氣體（通常選空氣，因?yàn)榭諝庵械难鹾繛槌?shù)），則被測(cè)氣體的氧含量就可以用氧濃差電勢(shì)來(lái)表示，測(cè)出濃差電勢(shì)，便可知道被

16、測(cè)氣體中的氧含量。如溫度改變，即使氣體中氧含量不變，輸出的氧濃差電勢(shì)也要改變，所以氧化鋯氧氣傳感器均有恒溫裝置，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例二、氧化鋯氧氣傳感器探頭二、氧化鋯氧氣傳感器探頭氧化鋯氧氣傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖11-9所示。它的主要部件是氧化鋯管。圖11-9 氧化鋯氧氣傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 被測(cè)氣體(如煙氣)經(jīng)陶瓷過(guò)濾器流經(jīng)氧化鋯管的外部，參比氣體(空氣)從探頭的另一端進(jìn)入氧化鋯管的內(nèi)部。氧化鋯管的工作溫度是在650850之間，并且測(cè)量時(shí)溫度需恒定。為此，在氧化鋯管的外圍裝了加熱電阻絲，管內(nèi)部裝了熱電偶，用來(lái)檢測(cè)管內(nèi)溫度，并通過(guò)溫度

17、調(diào)節(jié)器調(diào)整加熱絲電流的大小，使氧化鋯管的溫度恒定。氧化鋯氧氣傳感器輸出的氧濃差電勢(shì)與被測(cè)氣體氧濃度之間為對(duì)數(shù)關(guān)系，而且氧化鋯電解質(zhì)濃差電池的內(nèi)阻很大，所以對(duì)后續(xù)的測(cè)量電路有特別的要求，不僅要進(jìn)行放大，而且還要求放大器的輸入阻抗要高，還要具有非線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)墓δ?。?1章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例11.4 恒電位電解式氣敏體傳感器恒電位電解式氣敏體傳感器恒電位電解式氣體傳感器是一種濕式氣體傳感器，它通過(guò)測(cè)定氣體在某個(gè)確定電位電解時(shí)所產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量氣體濃度。一、測(cè)量原理一、測(cè)量原理當(dāng)電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進(jìn)行電解時(shí)，由于電解質(zhì)內(nèi)的工作電極與氣體進(jìn)行選擇性的氧化或還原反應(yīng)，則在對(duì)比電極上發(fā)生

18、還原或氧化反應(yīng)，使電極的設(shè)定電位發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)。傳感器的輸出是一個(gè)正比于氣體濃度的線(xiàn)性電位差。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系如下式表示：(11-10)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例式中：I電解電流；n每1mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù)；F法拉第常數(shù)；A氣體擴(kuò)散面積；D擴(kuò)散系數(shù)；擴(kuò)散層的厚度。C電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度；因?qū)σ粋€(gè)確定的傳感器來(lái)說(shuō)，它的n、F、A、D及都是固定的數(shù)值，所以電解電流與氣體濃度成正比。即為比例系數(shù)。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例二、恒電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu)二、恒電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu) 下面以CO氣體檢測(cè)為例來(lái)說(shuō)明這種傳感器的結(jié)構(gòu)。恒電位電解式氣體傳感器

19、的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路如圖11-10所示。圖11-10 恒電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu) 在容器內(nèi)的相對(duì)兩壁安置工作電極和對(duì)比電極，其內(nèi)充滿(mǎn)電解質(zhì)溶液，容器為一密閉結(jié)構(gòu)。在工作電極和對(duì)比電極之間加以恒定電位差而構(gòu)成恒壓電路。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例透過(guò)隔膜(多孔聚四氟乙烯膜）的CO氣體在工作電極上被氧化，而在對(duì)比電極上O2被還原，于是CO被氧化而形成CO2。氣體與電極之間的氧化還原反應(yīng)方程式可用式(11-11)式(11-13)來(lái)描述。氧化反應(yīng) (11-11)還原反應(yīng) (11-12)總反應(yīng)方程 (11-13)在這種情況下，CO分子被電解，通過(guò)測(cè)量作用電極與對(duì)比電極之間流過(guò)的電流，也就是測(cè)量流過(guò)電

20、阻R兩端的電壓Uo，即可得到CO的濃度。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例11.5 伽伐尼電池式氣體傳感器伽伐尼電池式氣體傳感器一、一、伽伐尼電池式氣體傳感器伽伐尼電池式氣體傳感器的檢測(cè)原理的檢測(cè)原理 伽伐尼電池式氣體傳感器與上述恒電位電解式傳感器一樣，通過(guò)測(cè)量電解電流來(lái)檢測(cè)氣體濃度，但由于傳感器本身就是電池，因此不需要由外界施加電壓。這種傳感器主要用于O2的檢測(cè)，檢測(cè)缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感器，它還可以測(cè)定可燃性氣體和毒性氣體。伽伐尼電池式氣體傳感器的電解電流與氣體濃度的關(guān)系，與恒電位電解式氣體傳感器的計(jì)算公式(11-10)相同。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 下面以O(shè)2檢測(cè)為例來(lái)說(shuō)明這

21、種傳感器的構(gòu)造和測(cè)量原理,它的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路如圖11-11所示。圖圖11-11 伽伐尼伽伐尼電電池式氣體池式氣體傳傳感器感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 在塑料容器內(nèi)安置厚為1030 ，透氧性好的聚四氟乙烯隔膜，靠近該膜的內(nèi)面設(shè)置工作電極(鉑、金、銀等貴重金屬)，在容器中其他內(nèi)壁或容器內(nèi)空間設(shè)置對(duì)比電極(鉛、鎘等離子化傾向大的賤金屬)，用KOH、KHCO3作為電解質(zhì)溶液。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 氧氣通過(guò)隔膜溶解于隔膜與工作電極之間的電解質(zhì)溶液的薄層中，當(dāng)此傳感器的輸出端接上負(fù)載電阻R形成閉合回路時(shí)，在工作電極上發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)，而在對(duì)比電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下所示。還原反應(yīng) (11-1

22、4)氧化反應(yīng) (10-15)(11-16)總反應(yīng)方程 (11-17)由于氧化還原反應(yīng)，在電路中有電流流動(dòng)，該電解電流與氧氣濃度成比例關(guān)系。此電流在負(fù)載電阻R的兩端產(chǎn)生電壓Uo，只要把Uo測(cè)量出來(lái)就知道被測(cè)氧氣的濃度。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例11.6半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器所謂半導(dǎo)體氣敏傳感器是指利用半導(dǎo)體氣敏器件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或測(cè)量其濃度的傳感器總稱(chēng)。半導(dǎo)體氣敏器件種類(lèi)很多，按照半導(dǎo)體變化的物理特性，可分為電阻型和非電阻型兩大類(lèi)。電阻型半導(dǎo)體氣敏器件是利用它接觸氣體時(shí)，它的阻值發(fā)生變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度；非電阻型半導(dǎo)體氣敏器件是利用

23、其它參數(shù)，如二極管伏安特性或場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體的。常見(jiàn)的半導(dǎo)體氣敏器件如表11-2所示。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 用半導(dǎo)體氣敏器件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門(mén)的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制等。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例一、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器一、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 1.電阻型半導(dǎo)體氣敏器件的測(cè)量原理電阻型半導(dǎo)體氣敏器件的測(cè)量原理 電阻型半導(dǎo)體氣敏器件是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致其阻值變化原理而制成的器件。目前用于氣體檢測(cè)的半導(dǎo)體材料，N型有SnO2、ZnO、TiO等，P型有MoO2、CrO3

24、等。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則使半導(dǎo)體載流子減少，電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則使載流子增多，半導(dǎo)體電阻值減少。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類(lèi)和濃度。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例圖11-12給出了氣體接觸到N型半導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的阻值變化情況。由圖可知，器件在空氣中加熱4分鐘后阻值基本不變。圖圖11-12 N N型氣敏元件吸附氣體時(shí)阻值變化圖型氣敏元件吸附氣體時(shí)阻值變化圖 這是因?yàn)榭諝庵械暮趿渴呛愣ǖ模虼搜醯奈搅恳彩呛愣ǖ?。若氣體濃度突然發(fā)生變化，其阻值也將變化。實(shí)驗(yàn)證明，半導(dǎo)體吸附

25、氣體的時(shí)間一般不超過(guò)1分鐘。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例二、電阻型半導(dǎo)體氣敏器件的分類(lèi)二、電阻型半導(dǎo)體氣敏器件的分類(lèi)電阻型半導(dǎo)體氣敏器件一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。按其結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。（1）燒結(jié)型）燒結(jié)型燒結(jié)型氣敏器件的外形結(jié)構(gòu)如圖11-13(a)所示。它是將一定的敏感材料（SnO2、ZnO）及摻雜劑（Pt、Pb）等用水或粘合劑調(diào)和均勻，經(jīng)研磨后以膏狀物滴入模具內(nèi)，埋入加熱絲和鉑電極，用700900的傳統(tǒng)制陶方法進(jìn)行燒結(jié)而成。燒結(jié)型器件制作方法簡(jiǎn)單，器件壽命長(zhǎng)。但由于燒結(jié)不充分，器件機(jī)械強(qiáng)度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。第1

26、1章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 （2）薄膜型）薄膜型薄膜型氣敏器件的外形結(jié)構(gòu)圖10-13(b)所示。它的制作方法是首先處理襯底片（玻璃石英式陶瓷）；焊接電極，然后采用蒸發(fā)或?yàn)R射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導(dǎo)體薄膜(其厚度約在100nm以下)而成。（3）厚膜型）厚膜型厚膜型氣敏器件的外形結(jié)構(gòu)圖11-13(c)所示。它是將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先裝有鉑電極的氧化鋁（Al2O3）基片上，在400800的溫度下燒結(jié)12小時(shí)制成。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例圖圖11-13 電阻型半導(dǎo)體氣敏器件結(jié)構(gòu)電阻型半導(dǎo)體氣敏器件結(jié)構(gòu)第

27、11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 這些器件全部附有加熱器，它的作用是將附著在敏感器件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200400左右。氣敏器件中的加熱器通常有兩種，一種是直熱式，另一種是旁熱式。圖11-14所示是直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 直熱式氣敏器件的管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導(dǎo)體材料中燒結(jié)而成的，并且加熱絲兼做一個(gè)測(cè)量電極。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用。其缺點(diǎn)是熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測(cè)量電路和加熱電路之間相互影響；加熱絲在加熱時(shí)產(chǎn)生脹縮

28、，容易造成與材料接觸不良的現(xiàn)象。國(guó)產(chǎn)QN型和日本費(fèi)加羅TGS#109型氣敏傳感器都采用這種結(jié)構(gòu)。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例圖11-15所示是旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)，它是將加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂有梳狀金電極作為測(cè)量電極，在金電極外涂上SnO2等材料。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏器件克服了直熱式的缺點(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極分開(kāi)，而且加熱絲與氣敏材料不接觸，避免了測(cè)量回路和加熱回路的相互影響，降低了環(huán)境溫度對(duì)器件加熱溫度的影響；所以這種結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性都比直熱式器件要好。國(guó)產(chǎn)QMN5型和日本費(fèi)加羅TGS#812、813型等氣敏傳感器均采用這種結(jié)構(gòu)。第11

29、章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 2.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型氣敏元件是利用特定材料的MOS二極管電容電壓特性以及MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的閾值電壓特性隨某些氣體的濃度變化而變化的原理制成的氣敏元件。（1）MOS二極管氣敏元件的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理二極管氣敏元件的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理MOS二極管氣敏元件的結(jié)構(gòu)如下圖11-16(a)所示。它是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝技術(shù)生成一層厚度約為50100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)金屬薄膜，作為電極M，P型硅作為另一個(gè)電極而構(gòu)成的元件。由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容C

30、s是外加電壓的函數(shù)，其等效電路如圖10-16(b)。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例圖圖11-16 MOS MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路二極管結(jié)構(gòu)和等效電路第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 由等效電路可知，總電容C也是兩極電壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為該類(lèi)MOS二極管的CU特性，如圖11-16(c)曲線(xiàn)a所示。由于鈀金屬對(duì)氫氣(H2)特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會(huì)使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS二極管的CU特性向低電壓方向平移，如圖11-16(c)中虛線(xiàn)b所示。根據(jù)這一特性就可用于測(cè)定H2的濃度。（2）MOS場(chǎng)效應(yīng)管氣敏元件的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理場(chǎng)效應(yīng)管氣敏元件的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理 鈀MOS場(chǎng)效應(yīng)管(PdMOS

31、FET)的結(jié)構(gòu)如圖11-17所示。由于Pd對(duì)H2有很強(qiáng)的吸附性，當(dāng)H2吸附在G(Pd)柵極上時(shí)，會(huì)引起Pd的功函數(shù)降低。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 由MOSFET工作原理可知，當(dāng)柵極(G)、源極(S)之間加正向偏壓UGS，且UGSUT(閾值電壓)時(shí)，則在柵極氧化層下面聚集了大量的電子形成導(dǎo)電溝道，這個(gè)溝道稱(chēng)作N型溝道，它將源極和漏極連接了起來(lái)。圖圖11-17 鈀鈀MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 此時(shí)，若在源(S)、漏(D)極之間加電壓UDS，則源極和漏極之間就有電流(IDS)通過(guò)。IDS隨UDS和UGS的大小而變化，其變化規(guī)律即為MOSFET的輸出伏安特性

32、。當(dāng)UGSUT時(shí)，MOSFET的N型溝道未形成，故漏極與源極之間無(wú)電流，即IDS=0。閾值電壓UT的大小除了與襯底材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與鈀金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。PdMOSFET氣敏元件就是利用H2在鈀柵極上吸附后引起閾值電壓UT下降這一特性來(lái)檢測(cè)H2濃度的。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例 （3）半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用范圍）半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用范圍 半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)以及表11-3 半導(dǎo)體氣敏傳感器所能檢測(cè)的氣體及應(yīng)用場(chǎng)所成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而在天然氣、煤氣，石油化工等部門(mén)的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)

33、用。第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例表11-3給出了半導(dǎo)體氣敏傳感器所能檢測(cè)的氣體及應(yīng)用場(chǎng)所第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例11.7氣敏傳感器在檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的應(yīng)用案例氣敏傳感器在檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的應(yīng)用案例一、簡(jiǎn)易酒精測(cè)試儀一、簡(jiǎn)易酒精測(cè)試儀 圖11-18是一個(gè)簡(jiǎn)易酒精測(cè)試儀電路原理圖。圖11-18 簡(jiǎn)易酒精測(cè)試儀電路原理圖第11章 氣敏傳感器及其應(yīng)用案例該測(cè)試儀可以檢測(cè)是否喝了酒。只要向簡(jiǎn)易酒精測(cè)試儀吹一口氣，便可顯示出醉酒的程度，確定司機(jī)是否屬于醉駕車(chē)輛。該測(cè)試儀的氣體傳感器選用TGS812型氣敏元件。工作原理如下：當(dāng)氣體傳感器探測(cè)不到酒精時(shí)，加在IC第5引腳的電平為低電平，發(fā)光二極管不亮。當(dāng)氣體傳感器探測(cè)到酒精時(shí)，其內(nèi)阻變低，從而使IC的第5引腳電平變高。顯示驅(qū)動(dòng)集成電路根據(jù)第5引腳電壓高低來(lái)確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)，酒精含量越高則點(diǎn)亮二極管的個(gè)數(shù)越多。上面5個(gè)發(fā)光二極管為紅色