3章1氣敏傳感器

第三章3.1氣敏電阻傳感器氣敏電阻品種繁多，主要有可測(cè)量還原性氣體和測(cè)量氧氣濃度的兩大類(lèi)。

使用氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。

一、還原性氣體傳感器

所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

2/3/20231圖2-24

MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路功能：可用于可燃性氣體的檢測(cè)、檢漏適用范圍：

可燃性氣體和可燃性液體蒸汽（天然氣、液化石油氣、煤氣、一氧化碳、烷烴、烯烴、醇類(lèi)、汽油、煤氣）及煙霧。2/3/20232a）氣敏燒結(jié)體b）氣敏電阻外形c）基本測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1—引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱回路電源8—測(cè)量回路電源

MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（下圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。

氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200300℃，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過(guò)程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。

2/3/20233氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器2/3/20234酒精測(cè)試儀呼氣管2/3/20235酒精傳感器的選擇性2/3/20236

氣敏半導(dǎo)體的靈敏度特性曲線觀察右圖，看一下能否說(shuō)明非線性特性對(duì)濃度超限報(bào)警是否有利？2/3/20237家庭用煤氣報(bào)警器2/3/20238家庭用液化氣報(bào)警器2/3/20239一氧化碳傳感器2/3/202310其他氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器2/3/202311二、二氧化鈦氧濃度傳感器圖3-26

TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

a）結(jié)構(gòu)b）測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周?chē)h(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周?chē)鯕鉂舛容^大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。

2/3/202312二、二氧化鈦氧濃度傳感器

半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周?chē)h(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周?chē)鯕鉂舛容^大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。

圖3-26是用于汽車(chē)或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時(shí)，RTiO2的阻值減小，Uo增大。

在圖b中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt

起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，TiO2氣敏電阻的阻值會(huì)逐漸減小，只要Rt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(cè)量誤差。

2/3/202313圖3-26

TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路a）結(jié)構(gòu)b）測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1－外殼（接地）2－安裝螺栓3－搭鐵線4－保護(hù)管5—補(bǔ)償電阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏電阻8－進(jìn)氣口9－引腳

2/3/202314氧濃度傳感器外形

可用于汽車(chē)尾氣測(cè)量2/3/202315汽車(chē)尾氣分析2/3/202316有毒氣體傳感器的使用甲醛傳感器CH2O/S-10:測(cè)量范圍:0-10ppm(百萬(wàn)分之一)

最大負(fù)荷:50ppm工作壽命:空氣中3年伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)士兵就配備了一個(gè)可探測(cè)有毒氣體的傳感器(工作時(shí)間僅為20多秒)2/3/2023173.2濕敏電阻傳感器

絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。相對(duì)濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來(lái)表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，稱(chēng)飽和狀態(tài)。

濕敏電阻的原理：水是一種強(qiáng)極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。

2/3/202318濕度傳感器的分類(lèi)

2/3/202319水蒸氣的凝結(jié)將給儀器設(shè)備帶來(lái)各種危害

2/3/202320濕度對(duì)電子元件的影響

當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度增大時(shí)，物體表面就會(huì)附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強(qiáng)度，還會(huì)造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會(huì)加速金屬材料的腐蝕并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。2/3/202321露點(diǎn)

降低溫度會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點(diǎn)與農(nóng)作物的生長(zhǎng)有很大關(guān)系，結(jié)露也嚴(yán)重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意。

測(cè)量露點(diǎn)的儀器2/3/202322露點(diǎn)傳感器外形

2/3/202323電子濕度計(jì)模塊封裝后的外形2/3/202324電子式溫濕度計(jì)2/3/202325機(jī)械式、電子式溫濕度計(jì)對(duì)比2/3/202326陶瓷濕度傳感器特性曲線

在右圖所示的陶瓷濕度傳感器特性曲線中，縱坐標(biāo)的標(biāo)度有何特點(diǎn)？其電阻率變化約有多少個(gè)數(shù)量級(jí)？2/3/202327電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器

干濕球濕度計(jì)外形及原理干球濕球2/3/202328

用干濕球濕度計(jì)測(cè)量相對(duì)濕度

上頁(yè)中，左邊的玻璃溫度計(jì)（濕球）用濕棉球包裹，并浸沒(méi)在水槽里。濕棉球由于水份蒸發(fā)，所以其溫度低于室溫，致使?jié)袂虻氖局档陀诟汕颉２閷?duì)應(yīng)的濕度表就可知道空氣的相對(duì)濕度。雖然干濕球濕度計(jì)的歷史悠久，但現(xiàn)在還經(jīng)常用它作為電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器。風(fēng)水槽棉球玻璃酒精溫度計(jì)2/3/2023293.3氣敏電阻

在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏：火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。2/3/2023303.3.1氣敏電阻的工作原理及其特性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(jī)理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)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(cè)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(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，2/3/202331可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)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(jī)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(dòng)勢(shì)。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(jiǎn)單的特點(diǎn)，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(cè)時(shí)阻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200～300℃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。2/3/202332當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w（如CO等）時(shí)，原來(lái)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(huì)自動(dòng)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(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。目前國(guó)產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測(cè)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(gè)測(cè)量極，測(cè)量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。2/3/202333以SnO2氣敏元件為例，它是由0.1--10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(shí)，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(duì)于P型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，它的晶格是陽(yáng)離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時(shí)其電導(dǎo)率則減小。氣敏電阻的溫度特性如圖2.4.1所示，圖中縱坐標(biāo)為靈敏度，即由于電導(dǎo)率的變化所引起在負(fù)載上所得到的值號(hào)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(shí)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(lèi)催化劑可以獲得低溫時(shí)的靈敏度，也可增強(qiáng)對(duì)氣體種類(lèi)的選擇性。

2/3/2023343.3.2常用的氣敏電阻

氣敏電阻根據(jù)加熱的方式可分為直熱式和旁熱式兩種，直熱式消耗功率大，穩(wěn)定性較差，故應(yīng)用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定，消耗功率小，其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆，因此安全可靠，其應(yīng)用面較廣。3.3.2.1氧化鋅系氣敏電阻

ZnO是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，也是一種應(yīng)用較廣泛的氣敏器件。通過(guò)摻雜而獲得不同氣體的選擇性，如摻鉑可對(duì)異丁烷、丙烷、乙烷等氣體有較高的靈敏度，而摻鈀則對(duì)氫、一氧化碳、甲烷，煙霧等有較高的靈敏度。這種氣敏元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在圓形基板2/3/202335上涂敷ZnO主體成分，當(dāng)中加以隔膜層與催化劑分成兩層而制成。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達(dá)0.8～1.15ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟实葼顟B(tài)，達(dá)1.84ml/L時(shí)則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險(xiǎn)，因此對(duì)一氧化碳檢測(cè)必須快而準(zhǔn)。利用SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，通過(guò)顆粒超微細(xì)化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經(jīng)適當(dāng)燒結(jié)工藝進(jìn)行表面修飾，制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件，能夠探測(cè)0.005%～0.5%范圍的CO氣體。3.3.2.2氧化鐵系氣敏電阻

當(dāng)還原性氣體與多孔的接觸時(shí)，氣敏電阻的晶粒表面受到還原作用，其電阻串迅速降低。這種敏感元件用于檢測(cè)烷類(lèi)氣體特別靈敏。

3.3.2.3型號(hào)命名方式氣敏電阻器的型號(hào)命名由三部分組成。第一部分用字母表示主稱(chēng)。第二部分用字母表示用途或特征。第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號(hào)。具體表示略。2/3/2023363.3.3氣敏電阻的應(yīng)用

氣敏電阻應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報(bào)警，如可制成液化石油氣、天燃?xì)狻⒊鞘忻簹?、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報(bào)警器。也可用于對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及在醫(yī)療上用于對(duì)O2、CO2等氣體的測(cè)量。生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測(cè)等方面。氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流，測(cè)量回路電壓，靈敏度，響應(yīng)時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間，標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負(fù)載電阻值等。下面是兩類(lèi)典型氣敏電阻的基本情況：3.3.3.1MQ-N5型氣敏元件1)原理

QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。2/3/2023372)特點(diǎn)

用于可燃性氣體的檢測(cè)（CH4、C4H10、H2等）；靈敏度高；響應(yīng)速度快；輸出信號(hào)大；壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠。

3)性能指標(biāo)具體指標(biāo)略3.3.3.2QM-J3型半導(dǎo)體氣敏元件1)工作原理

QM-J3型半導(dǎo)體氣敏元件是以金屬氧化物ZnSnO3為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。

2)特點(diǎn)

用于乙醇、酒精等有機(jī)液體蒸氣的檢測(cè)；對(duì)汽油蒸汽有抗干擾能力；靈敏度高；響應(yīng)速度快；壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠。

3)技術(shù)指標(biāo)

具體指標(biāo)略：2/3/2023383.4氣、濕敏傳感器應(yīng)用舉例

氣敏傳感器（特別是半導(dǎo)體氣敏傳感器）隨著性能的不斷提高，應(yīng)用越來(lái)越廣，其中最主要的是防止突發(fā)事故，提高生活環(huán)境質(zhì)量，保障生產(chǎn)過(guò)程條件的一致性，以及環(huán)境保護(hù)等。在防止突發(fā)事件中，對(duì)報(bào)警器件有極大的需求，它們被設(shè)計(jì)用于對(duì)由于有害或易燃?xì)怏w泄漏造成的中毒、昏迷或火災(zāi)及時(shí)提出警報(bào)。為改善居住生活條件，需要應(yīng)用傳感器來(lái)檢測(cè)那些使用空調(diào)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的房間、辦公室、出租汽車(chē)和其它空間中的空氣污染情況。除此之外，氣敏傳感器還用于控制爐具和其它器械中的食品烹調(diào)過(guò)程。為保護(hù)環(huán)境免受有害揮發(fā)物的污染，同時(shí)為了節(jié)約能源，使用氣敏傳感器監(jiān)控汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽鍋爐等中的燃燒過(guò)程。在各種工業(yè)和林業(yè)領(lǐng)域，用于生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控，以及分析參與生產(chǎn)過(guò)程的各種氣體成分，或分析由生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的氣體成分。2/3/2023392/3/202340無(wú)論哪種應(yīng)用，氣敏傳感器總是作氣－電轉(zhuǎn)換器件，從氣敏元件獲取信號(hào)的方法：1.利用吸附平衡狀態(tài)穩(wěn)定值取出信號(hào)氣敏元件接觸待測(cè)氣體后，氣敏元件電阻將隨氣體種類(lèi)和濃度不同而變化，最后達(dá)到平衡，元件阻值達(dá)到穩(wěn)定，利用這一特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)電路來(lái)獲取信號(hào)是最常用的方法。2.利用吸附平衡速度取出信號(hào)氣敏元件表面對(duì)氣體的吸附平衡速度因氣體種類(lèi)不同而有差異，因此可以利用它們?cè)诓煌瑫r(shí)刻的不同阻值這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在不同時(shí)刻檢測(cè)相應(yīng)氣體的電路。3.利用吸附平衡值與溫度的依存性取出信號(hào)氣敏元件表面對(duì)氣體的吸附與工作溫度有緊密的依存性，每種氣體有一個(gè)特定的依存關(guān)系。利用該特性，可設(shè)計(jì)氣敏元件在不同工作溫度下，取出信號(hào)的應(yīng)用電路。這種方法常用于混合氣體對(duì)某種氣體的選擇檢測(cè)。2/3/202341此圖是一種用于汽車(chē)駕駛室擋風(fēng)玻璃的自動(dòng)去濕電路。其目的是防止駕駛室的擋風(fēng)玻璃結(jié)露或結(jié)霜，保證駕駛員視線清楚，避免事故發(fā)生。該電路也可用于其他需要去濕的場(chǎng)所。一、自動(dòng)去濕器

Rs為加熱電阻絲，將其埋入擋風(fēng)玻璃內(nèi)。H為結(jié)露濕敏元件，晶體管BGl，BG2為施密特觸發(fā)電路，BG2的集電極負(fù)載為繼電器J的線圈繞組