文档介绍：课题:基于气敏传感器应用的简易
可燃气报警器及其设计
引言
广义的说,传感器(Transducer或Sensor)是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件或装置,在有些国家或科学领域,也将传感器称为变换器、检测器或探测器等。将物理量或化学量得变化转变成电信号是传感器的最终目的。国际电工委员会(IEC:International Electro-mittee)的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号”。
可燃性气体检测报警装置广泛应用在国民经济的各个领域,同时在人们的日常生活中,在保证家庭安全方面也起到了不可忽视的作用。可燃气体报警器,主要用于检测空气中的可燃气体,常见的如氢气(H2)、甲烷(CH4)等。家用可燃气体报警器也可以叫做燃气报警器,主要用于检测家庭煤气泄漏,防止煤气中毒和煤气爆炸事故的发生。
本文主要介绍气敏传感器的工作原理、几种常用及气敏传感器及及其相关特性以及其相关的应用场合,并且根据相关知识做出一个简易的可燃气报警器
理论部分
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感器
半导体气敏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。
半导体气敏元件的分类
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。
按照半导体变化的物理特性,又可分为电阻型和非电阻型,电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度; 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。
表半导体气敏元件的分类
半导体气敏传感器的机理
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)。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。
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 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
半导体气敏传感器类型及结构
电阻型半导体气敏传感器
半导体气敏传感器一般由三部分组成:敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类。
图气敏半导体传感器的器件结构
(a) 烧结型气敏器件; (b) 薄膜型器件; (c) 厚膜型器件
这些器件全部附有加热器,它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉,加速气体的