關于氣敏電阻式傳感器

1、關于氣敏電阻式傳感器電阻式傳感器簡介：隨著計算機輔助設計技術（CAD）、微機電系統(tǒng)技術、光纖技術和信息技術的發(fā)展，獲取各種信息的傳感器已經(jīng)成為各個應用領域，特別是自動檢測、自動控制系統(tǒng)中不可缺少的重要技術工具，越來越成為信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術基礎。因此，在當今信息時代掌握傳感器及檢測技術尤為重要。定義：將被測量變化轉換成電阻變化的傳感器。 電阻式傳感器是把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應變式傳感器、電位器式傳感器(見位移傳感器)和錳銅壓阻傳感器等。電阻式傳感器與相應的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶

2、金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化不可缺少的工具之一。它在非電量檢測領域應用非常廣泛。電阻式傳感器的優(yōu)缺點：電阻式具有結構簡單、輸出精度較高、線性和穩(wěn)定性好等特點。但是它受環(huán)境條件如溫度等影響較大，有分辨率不高等不足之處。電阻式傳感器的分類：課本上介紹的電阻式傳感器主要有電位器，電阻應變片，測溫熱電阻，氣敏電阻及濕敏電阻等。下面我們就單對氣敏電阻式傳感器分析一下。氣敏電阻氣敏電阻：利用某些半導體吸收某種氣體后發(fā)生氧化還原反應制成，將被檢測到的氣體(特別是可燃性氣體)的成分或濃度的變化轉換成電信號的傳感器。主要成分是金屬氧化物，主要品種有：

3、金屬氧化物氣敏電阻， 復合氧化物氣敏電阻，陶瓷氣敏電阻等。簡介：在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進行檢測和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測；煤氣泄漏：火災報警；燃燒情況的檢測與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉換為電信號的傳感器。工作原理：氣敏電阻是一種半導體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應。 常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電

4、化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。 接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體 直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動勢。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；半導體氣敏元件有N型和P型之分。 N型在檢測時阻

5、值隨氣體濃度的增大而減??；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于 N型半導體，在200300溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣 體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子， 從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降?？扇夹詺怏w不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。氣敏原件：目前國產(chǎn)的氣敏元件有

6、2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內(nèi)； 另一種是旁熱式，這種氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫燒結而成。 以SnO2氣敏元件為例，它是由0.1-10um的晶體集合而成，這種晶體是作為N型半導體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時，電子從氣體分子向半導體遷移，半導體的載流子濃度增加，因此電導率增加。而對于P型半導體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當遇到可燃性氣體時其電導率則減小。 氣敏電阻的溫度特性如圖2-1所示，圖中縱坐標為靈敏度，即由于電導

7、率的變化所引起在負載上所得到的值號電壓。由曲線可以看出，SnO2在室溫下雖能吸附氣體，但其電導率變化不大。但當溫度增加后，電導率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時需要加溫。 此外，在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以獲得低溫時的靈敏度，也可增強對氣體種類的選擇性。氣敏半導體的靈敏度較高，在被測氣體濃度較低時有較大的變化，而當被測氣體濃度較大時，其電阻率的變化逐漸趨緩，有較大的非線性。如圖是二氧化氮濃度與電阻率的關系圖。最后介紹一下二氧化鈦氧濃度傳感器；半導體材料二氧化鈦屬于N型半導體，對氧化性氣體（如氧氣）十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃

8、度。當周圍環(huán)境氧氣濃度較大時，氧原子進去二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值變大。上述過程是可逆的，當氧氣濃度下降時，氧原子析出，電阻值減小。如圖是二氧化鈦的電阻與強氧化劑po2的關系。發(fā)展前景：近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有機、無機、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電

9、子技術、光纖技術等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。 現(xiàn)在這方面的工作主要有兩個方向：一是利用化學修飾改性方法，對現(xiàn)有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進行改進和優(yōu)化，提高氣體傳感器的穩(wěn)定性和選擇性；二是研制開發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優(yōu)點，已成為研究的熱點。隨著人們生活水平的不斷提高和對環(huán)保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測以及對食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制