气体传感器大学ppt课件

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1、第8章气体传感器第8章气体传感器在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等8.1半导体气体传感器8.1.1半导体气体传感器及其分类原理金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触，由于气体的吸附，引起材料电学性能的变化，以此检测特定气体及其浓度。分类电阻型：表面控制型；体控制型；非电阻型：二极管整流特性型；晶体管特性性；（都属于表面控制）8.1半导体气体传感器8.1.2主要特性及其改善1.气体选择性及其改善气

2、体选择性：对不同气体的敏感特性。改善方法：掺杂（氧化物或添加物）；控制气敏元件的烧结温度；改善气敏元件工作时的加热温度。2.气体浓度特性气体传感器的输出量与被测气体浓度之间的关系，这是气体传感器的基本特性。8.1半导体气体传感器3.初始稳定、气敏响应和复原特性任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被测气体的吸、脱作用，加热温度一般为200~400℃。气敏传感器的外形及其基本测量电路。初始稳定：加热　稳定电阻输出特性（过渡时间和稳定电阻值）；气敏响应：气敏元件接触被测气体　电阻值变化（过渡过程的时间）；复原性：测试结束　电

3、阻值复原到洁净空气中保存状态的固有电阻值(Ra=103~105)的时间。8.1半导体气体传感器2021/9/87气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。气敏传感器气敏元件的工作原理十分复杂，有不同的解释模型。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。一、半导体气体传感器2021/9/88（一）工作原理半导体气敏传感器的结构如右图所示。一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。2021/9/89半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件

4、阻值变化而制成的。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物性自由扩散，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（化学吸附）。2021/9/810当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。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出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原

5、型气体或电子供给性气体。2021/9/811当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图10-3表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。2021/9/812图10-3N型半导体吸附气体时器件阻值变化图2021/9/813由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，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。半导体气敏时间

6、(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。2021/9/814气敏元件工作时必须加热，其目的是：加速被测气体的吸附、脱出过程；烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。2021/9/815气敏元件一般工作在200～400℃的高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功

7、率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。2021/9/816由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如下图所示。直热式器件是将加热丝、测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS＃109型气敏传感器均属此类结构。2021/9/817直热式气敏器件结构及符号1234Sn