第第11章章 气体传感器气体传感器第第11章章 气体传感器气体传感器 11.1热导式气体传感器热导式气体传感器 11.2接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 11.4红外气体传感器红外气体传感器11.5湿式气体传感器湿式气体传感器（气体种类、浓度（气体种类、浓度 电信号）电信号）11.1热导式气体传感器热导式气体传感器1原理原理不同种类、不同浓度的气体，其热导率不同，在同不同种类、不同浓度的气体，其热导率不同，在同样的加热条件下，其温度也不同，进而气敏元件电样的加热条件下，其温度也不同，进而气敏元件电阻不同。阻不同。2测量电路测量电路直流电桥电路直流电桥电路 11.1热导式气体传感器热导式气体传感器3种类种类 热线式（金属电阻丝）气敏传感器热线式（金属电阻丝）气敏传感器 热敏电阻式气敏传感器热敏电阻式气敏传感器 4应用应用 真空测量真空测量 可燃性气体的测量和报警可燃性气体的测量和报警 11.2接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器1.结构原理结构原理 R=T= H/h=/h11.2接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器2.测量电路测量电路直流电桥电路，工作电流直流电桥电路，工作电流100200mA 3.应用应用 检测可燃性气体检测可燃性气体11.3半导体气体传感器半导体气体传感器11.3.1 半导体气体传感器及其分类半导体气体传感器及其分类 原理原理 金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触，金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触，由于气体的吸附，引起材料电学性能的变化，以此由于气体的吸附，引起材料电学性能的变化，以此检测特定气体及其浓度。检测特定气体及其浓度。分类分类 电阻型：表面控制型；体控制型；电阻型：表面控制型；体控制型；非电阻型：二极管整流特性型；晶体管特性性；非电阻型：二极管整流特性型；晶体管特性性；（都属于表面控制）（都属于表面控制）11.3半导体气体传感器半导体气体传感器11.3.2 主要特性及其改善主要特性及其改善 1.气体选择性及其改善气体选择性及其改善 气体选择性：对不同气体的敏感特性。气体选择性：对不同气体的敏感特性。改善方法：掺杂（氧化物或添加物）；改善方法：掺杂（氧化物或添加物）； 控制气敏元件的烧结温度；控制气敏元件的烧结温度； 改善气敏元件工作时的加热温度。改善气敏元件工作时的加热温度。2.气体浓度特性气体浓度特性气体传感器的输出量与被测气体浓度之间的关系，气体传感器的输出量与被测气体浓度之间的关系，这是气体传感器的基本特性。这是气体传感器的基本特性。11.3半导体气体传感器半导体气体传感器3.初始稳定、气敏响应和复原特性初始稳定、气敏响应和复原特性任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被测气体的吸、脱作用，加热温度一般为测气体的吸、脱作用，加热温度一般为200400。气敏传感器的气敏传感器的外形及其基本外形及其基本测量电路。测量电路。初始稳定：加热初始稳定：加热 稳定电阻输出特性（过渡稳定电阻输出特性（过渡时间和稳定电阻值）；时间和稳定电阻值）；气敏响应：气敏元件接触被测气体气敏响应：气敏元件接触被测气体 电阻值电阻值变化（过渡过程的时间）；变化（过渡过程的时间）；复原性：测试结束复原性：测试结束 电电阻值复原到洁净空气阻值复原到洁净空气中保存状态的固有电阻值中保存状态的固有电阻值(Ra=103105 )的时的时间。间。11.3半导体气体传感器半导体气体传感器11.3半导体气体传感器半导体气体传感器4.灵敏度的提高与稳定性改善灵敏度的提高与稳定性改善添加金属或金属氧化物材料的催化作用来提高添加金属或金属氧化物材料的催化作用来提高灵敏度。灵敏度。添加添加“融剂融剂”和和“缓融剂缓融剂”，控制气敏材料的，控制气敏材料的烧制过程，可以改善其稳定性。烧制过程，可以改善其稳定性。5.温度、湿度的影响及其它问题温度、湿度的影响及其它问题环境温、湿度对气敏元件的气敏特性有影响环境温、湿度对气敏元件的气敏特性有影响（见图（见图11-7），气敏元件的加热丝电压决定元），气敏元件的加热丝电压决定元件的工作电流，也会影响元件的气敏特性。件的工作电流，也会影响元件的气敏特性。11.3半导体气体传感器半导体气体传感器11.3.3 电阻式半导体气体传感器电阻式半导体气体传感器(气敏电阻气敏电阻)1、表面控制型气敏电阻、表面控制型气敏电阻 利用半导体材料表面吸附气体引起气敏元件电阻值利用半导体材料表面吸附气体引起气敏元件电阻值变化的特性制成。主要用于检测可燃性气体。半导变化的特性制成。主要用于检测可燃性气体。半导体材料多数采用体材料多数采用SnO2和和ZnO等难还原的氧化物。等难还原的氧化物。结构和电阻特性结构和电阻特性 :多孔质烧结体敏感元件；多孔质烧结体敏感元件；薄膜敏感元件；薄膜敏感元件；厚膜敏感元件；厚膜敏感元件；多层结构敏感元件。多层结构敏感元件。11.3半导体气体传感器半导体气体传感器烧结体烧结体元件元件 厚膜元厚膜元件件 薄膜元薄膜元件件 多层结多层结构元件构元件 气敏特性气敏特性电阻特性电阻特性 logR=mlogC+n 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器2传感器类型传感器类型氧化锡类气体传感器氧化锡类气体传感器 敏感元件主要类型是烧结体，薄膜，厚膜敏感元件主要类型是烧结体，薄膜，厚膜 氧化锌及其氧化锌及其它类气体传感器它类气体传感器 与与SnO2类相比，工作温度范围高出类相比，工作温度范围高出100 C 工作原理工作原理 表面控制型气体传感器，其半导体气敏材料表表面控制型气体传感器，其半导体气敏材料表面吸附有气体时，则半导体和吸附的气体之间面吸附有气体时，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，造成电子的迁移从而形会有电子的施受发生，造成电子的迁移从而形成表面电荷层，最终引起元件电阻值的变化。成表面电荷层，最终引起元件电阻值的变化。 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器3.体控制型气敏电阻体控制型气敏电阻 三氧化二铁类气体传感器三氧化二铁类气体传感器 钙鈦矿类气体传感器钙鈦矿类气体传感器 燃烧控制用气体传感器燃烧控制用气体传感器 燃烧控制用镍燃烧控制用镍酸镧气体传感酸镧气体传感器的气敏特性器的气敏特性 Co1 xMgxO敏感元件敏感元件的敏感特的敏感特性性 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器11.3.4 非电阻式半导体气体传感器非电阻式半导体气体传感器1.二极管气体传感器二极管气体传感器如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有影响的话，则其整流特性会变化。影响的话，则其整流特性会变化。 用于检测用于检测H2的的钯钯氧化鈦二氧化鈦二极管极管的伏的伏-安特性安特性曲线曲线 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器2.MOS二极管气体传感器二极管气体传感器钯钯MOS二极管敏感元件结构二极管敏感元件结构钯钯MOS二极管敏感元件的二极管敏感元件的C-U特性特性检测原理：利用检测原理：利用MOS二极管的二极管的C-U特性检测特性检测H2 敏感元件敏感元件的光电特的光电特性也可检性也可检测测H2 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器3.MOS场效应晶体管气体传感器场效应晶体管气体传感器结构：结构：检测原理：检测原理：MOS场效应晶体管漏极场效应晶体管漏极电流电流ID由栅压控制，将栅极与漏极由栅压控制，将栅极与漏极短路，在源极与漏极之间加电压，短路，在源极与漏极之间加电压，则则ID= (U UT)211.3.5 半导体气体传感器的应用半导体气体传感器的应用 半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等特点，广泛应用于有毒有害、易燃命长和成本低等特点，广泛应用于有毒有害、易燃易爆气体的检测、控制和易爆气体的检测、控制和报警等。报警等。 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器表表11-4气体传感器的应用气体传感器的应用 11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 1气体报警器气体报警器图图11-20 简易家用气体报警器电路简易家用气体报警器电路11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 2煤气报警器煤气报警器图图11-21 分段报警式城市煤气报警器电路图分段报警式城市煤气报警器电路图11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 3火灾烟雾报警器火灾烟雾报警器图图11-22 气敏、热敏火灾烟雾报警器电路图气敏、热敏火灾烟雾报警器电路图11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 4空气净化换气扇空气净化换气扇图图11-23 自动换气扇电路图自动换气扇电路图11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 5酒精探测器酒精探测器图图11-24 携带式酒精探测仪电路图携带式酒精探测仪电路图11.3半导体气体传感器半导体气体传感器 6CO浓度测控浓度测控图图11-25 CO传感器应用电路传感器应用电路11.4红外气体传感器红外气体传感器电容麦克型电容麦克型量子型量子型 结构结构 :极谱式极谱式 原电池式原电池式检测原理：检测原理：当被测气体通过隔膜扩散到电解液中后，不同气体当被测气体通过隔膜扩散到电解液中后，不同气体会在不同固定电压作用下发生电解，从而导致电流会在不同固定电压作用下发生电解，从而导致电流的变化，通过测量电流的大小检测气体参数。的变化，通过测量电流的大小检测气体参数。 11.5湿式气体传感器湿式气体传感器 作业作业: 11-2，11-4，11-5，11-6第第1111章章 气体传感器气体传感器