氣體傳感器常識(shí)

1、氣體傳感器常識(shí)1、傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665-87)，傳感器的定義是：能夠受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適合于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。2、化學(xué)傳感器傳感器按工作原理分大體上可以分為化學(xué)型、物理型及生物型三大類(lèi)?；瘜W(xué)傳感器是將規(guī)定的化學(xué)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)信號(hào)的傳感器?；瘜W(xué)傳感器集電子科學(xué)、化學(xué)科學(xué)和材料科學(xué)于一體?；瘜W(xué)傳感器一般包括兩部分，一部分具有對(duì)待測(cè)化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲的功

2、能，稱(chēng)為識(shí)別系統(tǒng)；另一部分可將俘獲的化學(xué)量有效轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，稱(chēng)為傳導(dǎo)系統(tǒng)。3、氣體傳感器的分類(lèi)和工作原理3.1氣體傳感器的分類(lèi)氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。3.2半導(dǎo)體氣敏元件的結(jié)構(gòu)（1） 結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體氣敏傳感器主要有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)體器件是將電極和器件加熱用的加熱器埋入金屬氧化物中，用電加熱或加壓成型后低溫?zé)Y(jié)制成的。雖然制作方法簡(jiǎn)單，但是，由于燒結(jié)不充分，器件的機(jī)械強(qiáng)度較低，又由于使用了貴金屬絲，制造成本

3、比其它制作方法高；此外，該種元件電特性的誤差也較大。薄膜型器件是采用蒸發(fā)或?yàn)R射方法在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜的。這種方法也很簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是薄膜為物理性附著系統(tǒng)，器件之間的性能差異較大。厚膜型器件采用絲網(wǎng)印刷法制成。工藝性和器件強(qiáng)度都很好，其特性也相當(dāng)一致。厚膜型敏感元件的加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。（2）加熱方式加熱器的作用是將附著在探測(cè)部分處的油霧、塵埃等燒掉，同時(shí)加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200400。直熱式是將加熱絲直接埋入氣敏材料粉末中燒結(jié)而成。優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路中使用。它的缺點(diǎn)是熱容量小，易受環(huán)境

4、氣流影響，測(cè)量回路和加熱回路間沒(méi)有隔離會(huì)相互影響。旁熱式是在管芯內(nèi)增加一個(gè)陶瓷管，在管內(nèi)放進(jìn)一個(gè)高阻加熱絲，陶瓷管表面的兩端有用兩個(gè)電極，在陶瓷管外涂氣敏材料。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。圖2 旁熱式氣敏元件這種結(jié)構(gòu)克服了直熱式的缺點(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測(cè)量回路和加熱回路的相互影響；器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對(duì)器件加熱溫度的影響，所以這類(lèi)結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性比直熱式的好。3.3 半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的工作原理半導(dǎo)體金屬氧化物的氣敏機(jī)理存在著多種模型，如馮祖勇將其分為表面電阻控制模型、體電阻控制模型、吸附氣體產(chǎn)生新能級(jí)模型、隧道效應(yīng)模型、控制柵極模型和接觸燃燒

5、模型。如表面控制模型認(rèn)為氣敏過(guò)程受表面缺陷數(shù)量控制。以P型SnO2氣敏材料為例，發(fā)生在表面的化學(xué)變化涉及兩種主要的反應(yīng)，空氣中的氧在表面奪取電子變成化學(xué)吸附氧，即：吸附態(tài)的氧離子使電導(dǎo)率下降。SnO2表面與還原性氣體接觸以后，表面活性中心與還原性氣體作用，釋放出電子，二氧化錫材料導(dǎo)帶中電子密度增大，電阻減小，通過(guò)電信號(hào)強(qiáng)度的變化情況實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型氣敏元件在檢測(cè)到甲烷、一氧化碳、天燃?xì)狻⒚簹?、液化石油氣、乙炔、氫氣等氣體時(shí)，其電阻值減?。籔型氣敏元件在檢測(cè)到可燃?xì)怏w時(shí)電阻值將增大，而在檢測(cè)到氧氣、氯氣及二氧化碳等氣體時(shí)，其電阻值將減小。4、氣敏元件的評(píng)價(jià)參

6、數(shù)(1)靈敏度氣體傳感器的靈敏度是指器件對(duì)被測(cè)氣體的敏感程度。通常用氣體傳感器在一定濃度的檢測(cè)氣體中的電阻與正?？諝庵械碾娮枧c之比來(lái)表示靈敏度。常用S表示(或用表示)，N型半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)甲烷、一氧化碳、天燃?xì)狻⒚簹?、液化石油氣、乙炔、氫氣等還原性氣體時(shí)，靈敏度可表示為：Ra、Rg分別表示氣敏元件在空氣和檢測(cè)氣氛中的電阻。對(duì)于P型半導(dǎo)體氣敏元件，檢測(cè)甲烷、一氧化碳、天燃?xì)?、煤氣、液化石油氣、乙炔、氫氣等還原性氣體時(shí)，靈敏度可表示為：P型半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)氧氣、氯氣及二氧化碳等氧化性氣體時(shí)，靈敏度可表示為：S越大，表明氣體傳感器的靈敏度越高；S越小，表明靈敏度越低。（2）選擇性在多種氣體共存的

7、條件下，氣體傳感器具有的區(qū)分氣體種類(lèi)的能力。以待測(cè)氣體的靈敏度與干擾氣體的靈敏度之比D表示分辨率。分辨率的表達(dá)可用下式表示。式中Sg1表示傳感器對(duì)待測(cè)氣體的靈敏度; Sg2表示傳感器對(duì)干擾氣體的靈敏度。當(dāng)相同濃度的幾種氣體共存時(shí)，傳感器對(duì)某種氣體具有較高的靈敏度，而對(duì)其余幾種氣體的靈敏度比較低，即D值較大，就說(shuō)明這種傳感器對(duì)靈敏度高的氣體具有較好的選擇性。（3）響應(yīng)時(shí)間tres響應(yīng)時(shí)間代表氣敏元件對(duì)被檢測(cè)氣體的響應(yīng)速度。從原則上講，響應(yīng)越快越好，即氣敏元件接觸被測(cè)氣體或氣體濃度一有變化，器件阻值馬上隨之變化到其確定阻值。但實(shí)際上總要有一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值。定義響應(yīng)時(shí)間tres為元件接觸被測(cè)氣

8、體后，電阻達(dá)到該濃度下穩(wěn)定阻值90%時(shí)所需的時(shí)間，定義為響應(yīng)時(shí)間，常用tres表示。（4）恢復(fù)時(shí)間trec與響應(yīng)時(shí)間不同，恢復(fù)時(shí)間表示氣敏元件對(duì)被檢測(cè)氣體的脫附速度，又稱(chēng)脫附時(shí)間。同樣，也希望這一時(shí)間越快越好。定義恢復(fù)時(shí)間trec為元件脫離檢測(cè)氣體開(kāi)始，到其阻值恢復(fù)到正常空氣中阻值10%所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，用trec表示。（5）長(zhǎng)期穩(wěn)定性當(dāng)氣體濃度不變時(shí)，若其他條件發(fā)生變化，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)氣敏元件輸出特性維持不變的能力。它表示氣敏元件對(duì)于氣體濃度以外因素的抵抗能力。以QM-N5氣敏元件為例，其主要參數(shù)為：標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓2V，響應(yīng)時(shí)間10S，恢復(fù)時(shí)間30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測(cè)量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.55.5V、測(cè)量回路電壓515V、負(fù)載電阻0.52.2K。5、半導(dǎo)體氣敏傳感器的發(fā)展方向氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。要切實(shí)提高傳感器各方面的性能指標(biāo)需要多學(xué)科、多領(lǐng)域研究者的協(xié)同合作。氣敏材料的開(kāi)發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)一直受到研究人員的關(guān)注。未來(lái)氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開(kāi)工作。2.1 氣敏材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)2.2 新型氣體傳感器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)2.3 氣體傳感器傳感機(jī)理的研究2.4 氣體傳感器的智能化2.5 提高半導(dǎo)體氣敏元件選擇