氣敏傳感器（課堂PPT）

1、-1 1-傳感器技術傳感器技術氣體傳感器氣體傳感器任務一 可燃氣體檢測氣敏傳感器的定義：氣敏傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，感器件，它將氣體種類及其濃度有關的信息轉它將氣體種類及其濃度有關的信息轉換成電信號換成電信號，根據(jù)這些，根據(jù)這些電信號的強弱電信號的強弱便可獲得便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息。與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息。 氣敏傳感器可分為半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器氣敏傳感器可分為半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等和電化學氣敏傳感器等氣敏傳感器外形氣敏傳感器外形

2、 酒精傳感器酒精傳感器半導體氣敏傳感器應用最多。它的應用主要有：一氧化碳氣體半導體氣敏傳感器應用最多。它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、的檢測、瓦斯氣體的檢測瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、煤氣的檢測、氟利昂的氟利昂的檢測、呼氣檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機質經(jīng)厭氧菌的作用瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機質經(jīng)厭氧菌的作用分解而成。在高溫、高壓的環(huán)境中，在成煤的同時，由于物理和化學分解而成。在高溫、高壓的環(huán)境中，在成煤的同時，由于物理和化學作用，繼續(xù)生成瓦斯。作用，繼續(xù)生成瓦斯。 瓦斯是

3、無色、無味的氣體，但有時可以聞到類瓦斯是無色、無味的氣體，但有時可以聞到類似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳氫氣體同瓦斯同時涌出的緣故。似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳氫氣體同瓦斯同時涌出的緣故。瓦斯對空氣的相對密度是瓦斯對空氣的相對密度是0.554，在標準狀態(tài)下瓦斯的密度為，在標準狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg/m，瓦斯的滲透能力是空氣的，瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍，難溶于水，不助燃也不倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，達到一定濃度時，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒能維持呼吸，達到一定濃度時，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒或爆炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的?；虮?/p>

4、炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的。在在標準狀況標準狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。 如如遇明火，即可燃燒，發(fā)生遇明火，即可燃燒，發(fā)生“瓦斯瓦斯”爆炸，直接威脅著爆炸，直接威脅著礦工礦工的生命安全。的生命安全。因此，礦井工作對因此，礦井工作對“瓦斯瓦斯”十分重視，除去采取一些必要的安全措施十分重視，除去采取一些必要的安全措施外，有的礦工會提著一個裝有外，有的礦工會提著一個裝有金絲雀金絲雀的鳥籠下到礦井，把鳥籠掛在工的鳥籠下到礦井，把鳥籠掛在工作區(qū)內。原來，金絲雀對作區(qū)內。原來，金絲雀對“瓦斯瓦斯”或其他毒氣特別敏感

5、，只要有非?；蚱渌練馓貏e敏感，只要有非常淡薄的淡薄的“瓦斯瓦斯”產(chǎn)生，對人體還遠不能有致命作用時，金絲雀就已經(jīng)產(chǎn)生，對人體還遠不能有致命作用時，金絲雀就已經(jīng)失去知覺而昏倒。礦工們察覺到這種情景后，可立即撤出礦井，避免失去知覺而昏倒。礦工們察覺到這種情景后，可立即撤出礦井，避免傷亡事故的發(fā)生傷亡事故的發(fā)生半導體式氣敏傳感器的結構及工作原理（半導體式氣敏傳感器的結構及工作原理（P42P42）半導體式氣敏傳感器： 利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導半導體性質發(fā)生變化的原理體性質發(fā)生變化的原理來檢測特定氣體的成分或者濃度半導體式氣敏傳感器可分為電阻式和非電阻式(電阻式和非電阻式的原理需了解電阻式

6、和非電阻式的原理需了解)半導體式氣敏傳感器 電阻式 燒結型 薄膜型 厚膜型 二極管氣敏傳感器 MOS二極管氣敏傳感器 Pd（鉑）MOSFET氣敏傳感器 非電阻式 參考書上圖片理解 SnOSnO2 2系列氣敏元件有系列氣敏元件有燒結型、薄膜型燒結型、薄膜型和和厚膜型厚膜型三種。燒結型三種。燒結型應用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小應用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小( (平均粒徑平均粒徑m)m)的的SnOSnO2 2粉粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測。主要用于檢測可燃的還原性可燃的還原性氣體，其工作溫度約氣體

7、，其工作溫度約300300。根據(jù)根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。（1）直接加熱式）直接加熱式SnO2氣敏元件氣敏元件(直熱式氣敏元件直熱式氣敏元件)直熱式氣敏器件結構及符號1234SnO2燒結體加熱極兼電極(a)結構4321(b)符號由芯片由芯片( (敏感體和加熱器敏感體和加熱器) )，基座，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與熱器與SnOSnO2 2基體間由于熱膨脹系基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導致接觸不

8、良，數(shù)的差異而導致接觸不良，造成造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。元件的失效，現(xiàn)已很少使用。 2 2、電阻式氣敏傳感器的結構、電阻式氣敏傳感器的結構（2）旁熱式）旁熱式SnO2氣敏元件氣敏元件加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結構及符號SnO2燒結體123456（a）結構（b）符號 是利用氣體在半導體表面的氧化還原反應氧化還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。舉個例子 當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。當當氧化型氣體吸附到氧

9、化型氣體吸附到N N型半導體型半導體（SnOSnO2 2, ZnO), ZnO)上，上，還原型氣體還原型氣體吸附到吸附到P P型半導體型半導體(CrO(CrO3 3) )上時，將上時，將使半導體載流子減少，而使半導體載流子減少，而使電阻值增大。使電阻值增大。當當還原型氣體吸附到還原型氣體吸附到N N型半導體型半導體上，上，氧化型氣體吸附到氧化型氣體吸附到P P型半導型半導體上體上時，則載流子增多，使時，則載流子增多，使半導體電阻值下降半導體電阻值下降。3、基本原理、基本原理H2+CuO = H2O + CuN型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖 100550加熱開關大氣中2 min 4 min吸氣

10、時還原型氧化型穩(wěn)定狀態(tài)器件加熱響應時間約1 min以內器件電阻 / k P型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖 規(guī)則總結：氧化型氣體N型半導體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體N型半導體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體P型半導體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體P型半導體：載流子數(shù)下降，電阻增加 N型半導體，又稱電子型半導體；P型半導體又稱空穴型半導體。 氣敏電阻式傳感器基本測量電路如下圖所示。測量電路包括加熱回路和測試回路兩部分。 (a)QMN5測量電路； (b)TGS812測量電路； (c)TGS109測量電路4 4、基本測量電路、基本測量電路家庭用煤氣報警器家庭用煤氣報警器家庭用液化氣報警

11、器家庭用液化氣報警器一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器NH3傳感器傳感器甲烷傳感器甲烷傳感器舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測 二氧化鈦氧濃度傳感器的工作原理：二氧化鈦氧濃度傳感器的工作原理：半導體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值增大?？扇細怏w傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術3. 氣敏傳感器的連接及調測氣敏傳感器的連接及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測 T

12、iO2氧濃度傳感器結構TiO2氧濃度傳感器測量轉換電路1外殼（接地）2安裝螺栓 3搭鐵線4保護管 5補償電阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏電阻 8進氣口 9引腳 一、可燃氣體傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術3. 氣敏傳感器的連接及調測氣敏傳感器的連接及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測 氧濃度傳感器結構圖中，二氧化鈦氣敏電阻與補償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。 在測量轉換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt 起溫度補償作用。當環(huán)境溫度升高時，當環(huán)境溫度升高時，TiOTiO2 2氣敏

13、電阻的氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只要阻值會逐漸減小，只要R Rt t也以同樣的比例減小，也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測量誤差。 一、可燃氣體傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術3. 氣敏傳感器的連接及調測氣敏傳感器的連接及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測 二氧化鈦氧濃度傳感器可用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度測量。汽車尾氣分析一、可燃氣體傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術 氣敏半導體的靈敏度特性曲線氣敏半導體的靈敏度特性曲線 觀察右圖看說明非觀察右圖看說明非線性特性對濃度超線性特性對濃度超限報警是否

14、有利？限報警是否有利？4. 氣體檢測系統(tǒng)的組成氣體檢測系統(tǒng)的組成 思考題：請同學們根據(jù)已介紹的氣體傳感器的基本檢測電路和電子線路設計知識，設計一個完整的氣體檢測系統(tǒng)。一、可燃氣體傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術5. 氣體檢測使用注意事項氣體檢測使用注意事項1 1）氣敏電阻使用時一定要加熱）氣敏電阻使用時一定要加熱 一般由變壓器二次繞組交流輸出或直流電壓提供低電壓加熱。加熱溫度對氣敏電阻的特性影響很大，因此加熱器的加熱電壓必須恒定。 如前所述，MQN型氣敏傳感器使用時氣敏電阻工作時必須加熱到200300，其目的是加速被測氣體的化學吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。一

15、、可燃氣體傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術5. 氣體檢測使用注意事項氣體檢測使用注意事項2 2）溫度補償）溫度補償 半導體氣敏電阻在氣體中的電阻值與溫度和濕度有關。當溫度和濕度較低時，電阻值較大；溫度和濕度較高時，電阻值較小。因此，即使氣體濃度相同，電阻值也會不同，需要進行溫度補償。 如前所述，TiO2氧濃度傳感器的測量轉換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt 起溫度補償作用。一、可燃氣體傳感器的檢測原理應用電子學院 傳感器技術溫度補償中實用的熱敏電阻工作原理半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導測溫元件。 熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫

16、的。半導體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100300之間測溫。應用電子學院 傳感器技術MF12型型 NTC熱敏熱敏電阻電阻聚脂塑料封聚脂塑料封裝熱敏電阻裝熱敏電阻二、油煙檢測原理應用電子學院 傳感器技術玻璃封裝玻璃封裝 NTC熱敏熱敏電阻電阻大功率大功率PTC熱敏電阻熱敏電阻二、油煙檢測原理應用電子學院 傳感器技術貼片式NTC熱敏電阻非標熱敏電阻非標熱敏電阻二、油煙檢測原理應用電子學院 傳感器技術MQ-2 MQ-2 可燃氣體、煙霧可燃氣體、煙霧 MQ-4 MQ-4 天然氣、甲烷天然氣、甲烷 MQ-5 MQ-5 液化氣、甲烷

17、、煤制氣液化氣、甲烷、煤制氣MQ-6 MQ-6 液化氣、異丁烷、丙烷液化氣、異丁烷、丙烷 MQ-8 MQ-8 氫氣、煤制氣氫氣、煤制氣 MQ-7 MQ-7 一氧化碳一氧化碳COCOMQ-9 MQ-9 一氧化碳、可燃氣體一氧化碳、可燃氣體MQ-3 MQ-3 酒精（乙醇）酒精（乙醇）MQ213 MQ213 酒精酒精MP-4 MP-4 天然氣天然氣 MP-6 MP-6 液化氣液化氣 MP-7 MP-7 一氧化碳一氧化碳MP-8 MP-8 氫氣氫氣 三、可燃氣體及油煙檢測的實現(xiàn)1. 1. 可燃氣體檢測的實現(xiàn)可燃氣體檢測的實現(xiàn)MQ-2型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，請根據(jù)已學的氣體傳

18、感器和電子線路的有關知識對如下圖所示煤氣檢測電路進行分析：煤氣檢測電路應用電子學院 傳感器技術2. 2. 油煙蒸汽檢測的實現(xiàn)油煙蒸汽檢測的實現(xiàn)對油煙蒸氣的檢測選用熱敏電對油煙蒸氣的檢測選用熱敏電阻，本設計選用阻，本設計選用NTCNTC負溫度系負溫度系數(shù)熱敏電阻數(shù)熱敏電阻NTCMF5ANTCMF5A，請根據(jù)，請根據(jù)已學的溫度傳感器和電子線路已學的溫度傳感器和電子線路的有關知識對如右圖所示煤氣的有關知識對如右圖所示煤氣檢測電路進行分析。檢測電路進行分析。油煙檢測電路三、可燃氣體及油煙檢測的實現(xiàn)應用電子學院 傳感器技術簡易酒精測試器 采用采用TGS812型酒精傳感器，對酒精有較高的靈敏度（對一氧化碳也型酒精傳感器，對酒精有較高的靈敏度（對一氧化碳也敏感）敏感） .其加熱及工作電壓都是其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約，加熱電流約125mA。 傳感器的