热线型气敏元件的设计

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1、热线型气敏元件的设计张开文一、结构原理采用稳定的Pt丝绕制两个完全一样的线圈，在一•个线圈上涂覆或浸积上对气体敏感的材料，另一个线圈上采用同样的方法涂覆基本材质相同，但对检测气体不敏感的材料,分别做成检测元件（RD-D）和参比（补赏）元件（RC—C）。釆用pt丝做成的线圈，既是元件的骨架又是元件的加热器。为了更好的满足使用的要求，线圈的电阻应尽量的大一些，以便使用时的工作电压高一些，并且有较大的输岀变化。冷态电阻在10Q左右，热态电阻在20Q左右。这样制作所用的釦丝线径较细，可以选用0.02mm左右的Pt丝。太细元件的机械强度差，也给

2、制作和使用带来困难。太粗了电阻小，工作电流大，功耗大。涂覆好的元件经65CTC左右烧结后形成具有一定机械强度的元件。元件的电阻由涂覆层电阻（Rs）与Pt线圈电阻（Rh）并联组成。参看图二。图二直热式元件结构及检测电路制作好的元件按图三的要求组成-•个检测电桥。当元件接触到可燃性气体时,元件RD表面的敏感层的电导增加,引起敏感层的电阻(Rs)下降,致使检测元件的总电阻(Rs+RH)下降。而补赏元件的涂覆层的电阻基本不变化，补赏元件的总电阻也基木不变化。这样电桥失衡而输出电压V随检测气体的浓度发生变化。RiR2iI————i[BVc图三热

3、线型元件检测原理电路Rc除了在检测电桥中起参比元件外，还能有效的对于元件进行温度补赏。当环境温度发生变化时，由于RD与RC的基材基木一样，因此其温度系数也基本相同，引起的温度变化也基本相同，在电桥屮引起的桥路变化儿乎可以忽略。起到很好的温度补赏的作用。如果RC对干扰气体敏感还能提高原件抗干扰的能力。二、元件的检测原理如图二所示：直热式元件由检测元件RD和参比元件RC组成。检测元件RD和参比元件RC均由和同的钳线圈和表面金属氧化物涂层组成。并与R1和R2组成检测电桥。RD及RC在桥路的一个支路中串联，其通过的电流相等，其热电阻也基本相同

4、。在清洁的环境屮，通过桥路的Rl、R2的调整其输出端为零。当元件接触检测气体时，检测元件RD的表而吸附检测气体并在上而进行氧化还原反应，涂覆表面的电阻RS卜•降，RS下降致使RD的总电阻F降。而参比元件RC的表面吸附检测气体后基本不发生氧化还原反应，其表面的电阻不变，RC的总电阻也不变因此电桥失去平衡输岀发生变化。这里需要指岀直热式气敏元件不是热效应，而是半导体的气敏效应。它与热效应的催化元件完全不一样。其钳丝一是起加热作用，二是起骨架支撑作用，三是组成元件的电阻体。RH的阻值人小直接影响元件的工作电压的高低，和信号输出的大小。RII

5、的阻值大其输出变化也大，灵敏度高，其工作电流小，工作电压也可适当的提高。三、元件的设计要求元件的工作原理仍然是半导体气敏检测原理，因此一定要满足半导体气敏元件的工作要求。一是选择敏感的涂层材料，二是保证元件的工作温度，三是需要检测的气体，四是元件的工作条件。现在常用的气敏材料是二氧化锡，其敏感温度在350度左右，工作电压3V以下。采用热丝供热的微球状元件，其功率根据检测气体的要求应在120度左右。如果球体大，功率就适当的加大，一般控制在0.5価左右。钳丝选用0.015-0.02mm,绕制线圈的芯线0・4或更小。绕制的线圈的电阻为10Q

6、左右，间距要均匀一致。热线型元件不是热效应元件，为了保证元件正常工作，设计时的丁•作温度一定要控制，工作时不能发生燃烧。如果发生燃烧现象，元件的表面的温度将上升厉害，引起钳丝电阻RH上升而抵消因气体的氧化还原反应引起的敏感层的电阻RS下降的作用，元件灵敏度下降。四、输出电压与RS的关系为了计算方便按图二所示的等效电路进行讨论。设：VC=3v清洁空气中热态RD二RII+RS二20Q热态RC二20(稳定不变)，热态RH二20Q,且元件表面不发生燃烧。RD”船=牆VCI=rd7rc_^L+rc20+RSVC(20+RS)(20RS)+RC(

7、20+RS)将VC=3V,RH=20,RC=20代入上式化解后:3(RS+20)40(RS+10)(2)又因为电流I等于A点的电压VA除以RC即:VARCVA20所以va_3(RS+20)20—40(RS+10)化解(4)式得:Rs二20(3—VA)2VA-3检测元件RD上的功率Prd：Prd二(VC-VA)I二(3一：：)va.・・.⑹乙U参比元件RC上的功率Prc：VAPrc二VaI音(7)分别设接触检测气体后的输出电压VouT为：0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07……则得：VA二1.5、1.

8、51、1.52、1.53.1.54、1.55.1.56、1.57.1.58….将VA的值代入（5）式求的RS的值，代入（3）式得电流I的值；将RS代入（1）求的RD的值；再将VA分别代入式（6）（7）分别求的检测元件和参