《气湿敏传感器》ppt课件

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1、第十章气湿敏传感器第一节气敏传感器第二节湿敏传感器第一节气敏传感器接触燃烧式气敏元件金属氧化物半导体气敏元件氧化锆气敏元件一、接触燃烧式气体传感器1、检测原理可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。可燃性气体燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。AF2F1MR1R2CBDW2W1E0F1是

2、检测元件；F2是补偿元件，其作用是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的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，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A、B间产生电位差E。ΔRF与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例,可用下式表示如果令则有ρ—检测元件的电阻温度系数；ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量；C—检测元件的热

3、容量；Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]；α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。ρ，C和α在一定条件下，都是确定的常数。则并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL)E=k•m•b即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、B间的电位差E，(b)敏感元件外形图(a)元件的内部示意图触媒Al2

4、O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm2、接触燃烧式气敏元件的结构二、半导体气体传感器气体敏感元件，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。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。烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。气体敏感元件电阻值RC与空气中

5、被测气体的浓度C成对数关系：n：与气体检测灵敏度有关m：气体分离度RC1：气敏元件在浓度为C1时的电阻RC2：气敏元件在浓度为C2时的电阻（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。（2）旁热式SnO2气敏元件加热器电阻值一般为30Ω～40Ω电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7

6、100目不锈钢网Ø18.4Ø123123456745°45°气敏元件外形和引出线分布加热丝放置在陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量电极，在金属电极上涂有SnO2等材料。三、氧化锆氧气传感器在固体电解质中，作为载流子传导电流的主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100℃下，为正方晶系，2500℃下，为立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，

7、其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15％mol左右时,离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的ZrO2－Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都