文档介绍：第5章气敏传感器
第6章湿敏传感器
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半导体传感器
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第5章气敏传感器
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用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制, 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。
一、气敏电阻的工作原理
气敏电阻的材料是金属氧化物, 在合成材料时, 通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成, 金属氧化物半导体分N型半导体, 如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体, 如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度, 合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)等。
金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态(200~450℃), 目的是为了加速上述的氧化还原反应。
例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100~300℃范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图9 - 1(b)所示。
由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图9 - 2所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对电极。
气敏元件的基本测量电路, 如图9 - 1(a)所示, 图中EH为加热电源, EC为测量电源, 电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化, 输出电压(信号电压)由电阻Ro上取出。特别在低浓度下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。因此, 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。
二、气敏传感器的应用
气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。
(1) 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中, 经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
(2) 薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法, 在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜( μm以下), 构成薄膜型气敏元件。
氧化锌(ZnO)薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片, 通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属, 用铂或钯膜作引出电极, 最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体, 当添加铂作催化剂时, 对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度, 而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时, 对H2 、CO有较高的灵敏度, 而对烷烃类气体灵敏度低。因此,这种元件有良好的选择性, 工作温度在400~500℃的较高温度。
(3) 厚膜型气敏元件将气敏材料(如SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝(Al2O3)基片上,在400~800℃的温度下烧结1~2小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好, 机械强度高, 适于批量生产。以上三种气敏器件都附有加热器, 在实际应用时, 加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉, 同时加速气体氧化还原反应, 从而提高器件的灵敏度和响应速度。
传感器的应用
一、实用酒精测试仪
图9-16 所示为实用酒精测试仪的电路。该测试仪只要被试者向传感器吹一口气, 便可显示出醉酒的程度, 确定被试者是否还适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时, 加在A5脚的电平为低电平; 当气体传感器探测到酒精时, 其内阻变低, 从而使A5脚电平变高。 A为显示推动器, 它共有10个输出端, 每个输出端可以驱动一个发光二极管, 显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数, 酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色, 表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色, 代表安全水平, %。