關(guān)于氣敏電阻式傳感器

1、關(guān)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(shè)計技術(shù)（CAD）、微機電系統(tǒng)技術(shù)、光纖技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，獲取各種信息的傳感器已經(jīng)成為各個應(yīng)用領(lǐng)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(shù)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(shù)基礎(chǔ)。因此，在當(dāng)今信息時代掌握傳感器及檢測技術(shù)尤為重要。定義：將被測量變化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應(yīng)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(yīng)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(xué)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(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。電阻式傳感器的優(yōu)缺點：電阻式具有結(jié)構(gòu)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(yīng)變片，測溫?zé)犭娮?，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?dǎo)體吸收某種氣體后發(fā)生氧化還原反應(yīng)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(zhuǎn)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(fù)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(zāi)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(zhuǎn)換為電信號的傳感器。工作原理：氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)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(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。 常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電

4、化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)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(xué)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(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應(yīng)用極其廣泛；半導(dǎo)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小；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，屬于 N型半導(dǎo)體，在200300溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)?體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體導(dǎo)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(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導(dǎo)體氣敏元件檢測可燃?xì)怏w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(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)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(cè)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?zé)Y(jié)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(dǎo)體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)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(dǎo)體遷移，半導(dǎo)體的載流子濃度增加，因此電導(dǎo)率增加。而對于P型半導(dǎo)體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時其電導(dǎo)率則減小。 氣敏電阻的溫度特性如圖2-1所示，圖中縱坐標(biāo)為靈敏度，即由于電導(dǎo)

7、率的變化所引起在負(fù)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(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(guān)系圖。最后介紹一下二氧化鈦氧濃度傳感器；半導(dǎo)體材料二氧化鈦屬于N型半導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)體的電阻率，使其電阻值變大。上述過程是可逆的，當(dāng)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(guān)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(lǐng)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(xué)技術(shù)的應(yīng)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(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電

9、子技術(shù)、光纖技術(shù)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(xué)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(fù)合型和混合型半導(dǎo)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(shù)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(shù)等新材料研制