最新气体传感器教学讲义PPT.ppt

《最新气体传感器教学讲义PPT.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、气体传感器14气体传感器14.1概述气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量输出的装置或器件。气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多,性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，按构成气体传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器。半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。前者半导体表面吸附的气体与半

2、导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。14.2半导体气体传感器。图14-1N型半导体吸附气体时器件阻值变化图14.2.2半导体气体传感器类型及结构1.电阻型半导体气体传感器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。图14-2半导体气体传感器的敏感元件(a)烧结型元件；(b)薄膜型元件(c)厚膜型元件烧结型SnO2气敏元件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

3、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。（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)内热式气敏器件结构及符号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。10（2）旁热式SnO2气敏元件加热器电阻值一般为30Ω～4

4、0Ω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7100目不锈钢网Ø18.4Ø123123456745°45°气敏元件外形和引出线分布112.非电阻型半导体气体传感器非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。它是利用MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。(1)MOS二极管气敏器件MOS二极管

5、气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图14-5(a)所示。图14-5MOS二极管结构和等效电路(a)结构；(b)等效电路；(c)C-U特性(2)MOS场效应晶体管气敏器件钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构，参见图14-6。图14-6钯—MOS场效应晶体管的结构：常数UG：栅压UT：ID是流过时的最小临界电压值漏极电流：在鈀－MOS场效应管中，UT会随空气中所含氢气浓度的增高而降低

6、。14.3半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。测定固有电阻值Ｒａ时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。15（2）气敏元件的灵敏度表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如

7、电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值：RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值16（4）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件

8、与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为Va—气敏元件