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，主要有可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類。

使用氣敏電阻傳感器（以下簡稱氣敏電阻），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。

一、還原性氣體傳感器

所謂還原性氣體就是在化學反應中能給出電子，化學價升高的氣體。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)而成的半導體器件。

2/3/20231圖2-24

MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測量電路功能：可用于可燃性氣體的檢測、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、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—測量回路電源

MQN型氣敏半導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）。

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酒精測試儀呼氣管2/3/20235酒精傳感器的選擇性2/3/20236

氣敏半導體的靈敏度特性曲線觀察右圖，看一下能否說明非線性特性對濃度超限報警是否有利？2/3/20237家庭用煤氣報警器2/3/20238家庭用液化氣報警器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)及測量轉(zhuǎn)換電路

a）結(jié)構(gòu)b）測量轉(zhuǎn)換電路

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。

2/3/202312二、二氧化鈦氧濃度傳感器

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。

圖3-26是用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖及測量轉(zhuǎn)換電路。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。

在圖b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，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，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，減小了測量誤差。

2/3/202313圖3-26

TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測量轉(zhuǎn)換電路a）結(jié)構(gòu)b）測量轉(zhuǎn)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7－TiO2氧敏電阻8－進氣口9－引腳

2/3/202314氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測量2/3/202315汽車尾氣分析2/3/202316有毒氣體傳感器的使用甲醛傳感器CH2O/S-10:測量范圍:0-10ppm(百萬分之一)

最大負荷:50ppm工作壽命:空氣中3年伊拉克戰(zhàn)爭中美國士兵就配備了一個可探測有毒氣體的傳感器(工作時間僅為20多秒)2/3/2023173.2濕敏電阻傳感器

絕對濕度：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))。相對濕度：是大氣中實有水汽壓與當時溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%時，稱飽和狀態(tài)。

濕敏電阻的原理：水是一種強極性的電解質(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

2/3/202319水蒸氣的凝結(jié)將給儀器設備帶來各種危害

2/3/202320濕度對電子元件的影響

當環(huán)境的相對濕度增大時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉爛。2/3/202321露點

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

測量露點的儀器2/3/202322露點傳感器外形

2/3/202323電子濕度計模塊封裝后的外形2/3/202324電子式溫濕度計2/3/202325機械式、電子式溫濕度計對比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，縱坐標的標度有何特點？其電阻率變化約有多少個數(shù)量級？2/3/202327電子相對濕度儀表的標定儀器

干濕球濕度計外形及原理干球濕球2/3/202328

用干濕球濕度計測量相對濕度

上頁中，左邊的玻璃溫度計（濕球）用濕棉球包裹，并浸沒在水槽里。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臐穸缺砭涂芍揽諝獾南鄬穸?。雖然干濕球濕度計的歷史悠久，但現(xiàn)在還經(jīng)常用它作為電子相對濕度儀表的標定儀器。風水槽棉球玻璃酒精溫度計2/3/2023293.3氣敏電阻

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。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體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。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300℃～400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，2/3/202331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。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；半導體氣敏元件有N型和P型之分。

N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減?。籔型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于N型半導體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。2/3/202332當遇到有能供給電子的可燃氣體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導體表面；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，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。目前國產(chǎn)的氣敏元件有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)高溫燒結(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型半導體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當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體遷移，半導體的載流子濃度增加，因此電導率增加。而對于P型半導體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當遇到可燃性氣體時其電導率則減小。氣敏電阻的溫度特性如圖2.4.1所示，圖中縱坐標為靈敏度，即由于電導率的變化所引起在負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，但其電導率變化不大。但當溫度增加后，電導率就發(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。

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型金屬氧化物半導體，也是一種應用較廣泛的氣敏器件。通過摻雜而獲得不同氣體的選擇性，如摻鉑可對異丁烷、丙烷、乙烷等氣體有較高的靈敏度，而摻鈀則對氫、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)特點是：在圓形基板2/3/202335上涂敷ZnO主體成分，當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0.8～1.15ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態(tài)，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經(jīng)適當燒結(jié)工藝進行表面修飾，制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件，能夠探測0.005%～0.5%范圍的CO氣體。3.3.2.2氧化鐵系氣敏電阻

當還原性氣體與多孔的接觸時，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烷類氣體特別靈敏。

3.3.2.3型號命名方式氣敏電阻器的型號命名由三部分組成。第一部分用字母表示主稱。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。具體表示略。2/3/2023363.3.3氣敏電阻的應用

氣敏電阻應用較廣泛的是用于防災報警，如可制成液化石油氣、天燃氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報警器。也可用于對大氣污染進行監(jiān)測以及在醫(yī)療上用于對O2、CO2等氣體的測量。生活中則可用于空調(diào)機、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流，測量回路電壓，靈敏度，響應時間，恢復時間，標定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負載電阻值等。下面是兩類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型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。2/3/2023372)特點

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

3)性能指標具體指標略3.3.3.2QM-J3型半導體氣敏元件1)工作原理

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

2)特點

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

3)技術(shù)指標

具體指標略：2/3/2023383.4氣、濕敏傳感器應用舉例

氣敏傳感器（特別是半導體氣敏傳感器）隨著性能的不斷提高，應用越來越廣，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)過程條件的一致性，以及環(huán)境保護等。在防止突發(fā)事件中，對報警器件有極大的需求，它們被設計用于對由于有害或易燃氣體泄漏造成的中毒、昏迷或火災及時提出警報。為改善居住生活條件，需要應用傳感器來檢測那些使用空調(diào)機和鼓風機的房間、辦公室、出租汽車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)過程。為保護環(huán)境免受有害揮發(fā)物的污染，同時為了節(jié)約能源，使用氣敏傳感器監(jiān)控汽車發(fā)動機、蒸汽鍋爐等中的燃燒過程。在各種工業(yè)和林業(yè)領域，用于生產(chǎn)過程的監(jiān)控，以及分析參與生產(chǎn)過程的各種氣體成分，或分析由生產(chǎn)過程產(chǎn)生的氣體成分。2/3/2023392/3/202340無論哪種應用，氣敏傳感器總是作氣－電轉(zhuǎn)換器件，從氣敏元件獲取信號的方法：1.利用吸附平衡狀態(tài)穩(wěn)定值取出信號氣敏元件接觸待測氣體后，氣敏元件電阻將隨氣體種類和濃度不同而變化，最后達到平衡，元件阻值達到穩(wěn)定，利用這一特性，設計相應電路來獲取信號是最常用的方法。2.利用吸附平衡速度取出信號氣敏元件表面對氣體的吸附平衡速度因氣體種類不同而有差異，因此可以利用它們在不同時刻的不同阻值這一特點，設計在不同時刻檢測相應氣體的電路。3.利用吸附平衡值與溫度的依存性取出信號氣敏元件表面對氣體的吸附與工作溫度有緊密的依存性，每種氣體有一個特定的依存關(guān)系。利用該特性，可設計氣敏元件在不同工作溫度下，取出信號的應用電路。這種方法常用于混合氣體對某種氣體的選擇檢測。2/3/202341此圖是一種用于汽車駕駛室擋風玻璃的自動去濕電路。其目的是防止駕駛室的擋風玻璃結(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所。一、自動去濕器

Rs為加熱電阻絲，將其埋入擋風玻璃內(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的集電極負載為繼電器J的線圈繞組