气敏传感器公开课课件.ppt
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1、关于气敏传感器公开课第1页,此课件共48页哦 提问:同学们都会知道哪些是有毒有害的气体呢?煤气、CO、甲烷、烟雾是的,这些气体当达到一定浓度的时候都会危机到我们的生命。2、那我们要如何预防有害气体对我们的生命安全造成的伤害呢?装个对这些有害气体敏感的报警器。这章要介绍的气敏传感器就是这种报警器电路里一个很重要的器件。接下来我们就开始介绍气敏传感器。第2页,此课件共48页哦 气气敏敏传传感感器器的的作作用用相相当当于于我我们们的的鼻鼻子子,可可“嗅嗅”出出空空气气中中某某种种特特定定的的气气 体体,并并 判判 定定 气气 体体 的的 浓浓 度度,从从 而而实实 现现 对对 气气 体体 成成 分分
2、 的的 检检 测测 和和 监监 测测,以以改改善善人人们们的的生生活活水水平平,保保障障人人们们的的生生命命。第3页,此课件共48页哦环境污染、火灾报警环境污染、火灾报警煤矿煤矿化工化工第4页,此课件共48页哦一、与气敏相关的基本概念一、与气敏相关的基本概念 气体浓度的表示?气体浓度的表示?对环境大气(空气)中污染物对环境大气(空气)中污染物浓度浓度的表示方法有两种:的表示方法有两种:1、质量质量浓度表示法:每立方米空气中所含污染物的质量数,即浓度表示法:每立方米空气中所含污染物的质量数,即mg/m32、体积体积浓度表示法:一百万体积的空气中所含污染物的体浓度表示法:一百万体积的空气中所含污染
3、物的体积数,即积数,即ppm 大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度(大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度(ppm)。而按)。而按中国规定,特别是环保部门,则要求气体浓度以质量浓度的单位中国规定,特别是环保部门,则要求气体浓度以质量浓度的单位(mg/m3)表示,中国的标准规范也都是采用质量浓度单位(如:)表示,中国的标准规范也都是采用质量浓度单位(如:mg/m3)表示。)表示。第5页,此课件共48页哦什么是气敏传感器?什么是气敏传感器?气气敏敏传传感感器器是是用用来来检检测测气气体体类类别别、浓浓度度和和成成分分的的传传感感器器。由由于于气气体体种种类类繁繁多多,性性质质各各不不
4、相相同同,不不可可能能用用一一种种传传感感器器检检测测所所有有类类别别的的气气体体,因因此此,能能实实现现气气-电电转转换换的的传传感感器器种种类类很很多多,按按构构成成气气敏敏传传感感器器材材料料可可分分为为半半导导体体和和非非半半导导体体两两大大类类。目目前前实实际际使使用用最最多多的的是是半半导导体体气气敏敏传传感器。感器。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器第6页,此课件共48页哦气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器第7页,此课件共48页哦酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管第8页,此课件共48页哦家庭用液
5、化气报家庭用液化气报警器警器第9页,此课件共48页哦一氧化碳传感器一氧化碳传感器第10页,此课件共48页哦其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器第11页,此课件共48页哦二氧化碳浓度传感器二氧化碳浓度传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车尾可用于汽车尾气测量气测量第12页,此课件共48页哦汽车尾气分析汽车尾气分析第13页,此课件共48页哦有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用第14页,此课件共48页哦1 1、气敏传感器的性能要求:、气敏传感器的性能要求:l对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体具有较高的灵敏度l对被测气体以外的共存气体或物质不敏感对被测
6、气体以外的共存气体或物质不敏感 l性能稳定,重复性好性能稳定,重复性好 l动态特性好,对检测信号响应迅速动态特性好,对检测信号响应迅速l使用寿命长使用寿命长 l制造成本低,使用与维护方便等制造成本低,使用与维护方便等 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。因此,
7、对气敏元件有下列要求:面,往往会使其性能变差。因此,对气敏元件有下列要求:二、认识气敏传感器 第15页,此课件共48页哦2、常见气敏传感器的分类、常见气敏传感器的分类 第16页,此课件共48页哦3、半导体气敏传感器的机理、半导体气敏传感器的机理 半导体式气敏传感器:半导体式气敏传感器:利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体的利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体的电导电导率率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度浓度材料:气敏电阻的材料是金属氧化物半导体;材料:气敏电阻的材料是金属氧化物半导体;其中其中P型:如氧化钴、型:如氧化
8、钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。氧化铅、氧化铜、氧化镍等。N型:如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。型:如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。合成材料有时还渗入了催化剂合成材料有时还渗入了催化剂,如钯(如钯(Pd)、铂()、铂(Pt)、)、银(银(Ag)等。第17页,此课件共48页哦表表7-1 半导体气敏元件的分类半导体气敏元件的分类 第18页,此课件共48页哦基本原理基本原理是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。成的。半导体气敏材料半导体气敏材料吸附气体的能力很强吸附气体的能力很强。当半导体器件被加热到当半导
9、体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在表面物性自由扩散,失去运动能量,一部分分子被子首先在表面物性自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。学吸附)。第19页,此课件共48页哦当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时,当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时,吸附分吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,半导体表面半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被
10、称呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为为氧化型气体或电子接收性气体氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、离子吸附倾向的气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。乙烷、煤气、天然气、氢气等。它们被称为它们被称为还原型气还原型气体或电子供给性气体体或电子供给性气体,也就是在化学反应中能给出电,也就是在化学反应中能给出电子,化学价升高的气体;多数属于可燃
11、性气体。子,化学价升高的气体;多数属于可燃性气体。第20页,此课件共48页哦当当氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体型半导体(SnO2,ZnO)上,上,还还原型气体吸附到原型气体吸附到P型半导体型半导体(CrO3)上时,将使半导体载上时,将使半导体载流子减少,而使电阻值增大。流子减少,而使电阻值增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,则载流子增多,使半导体电阻型半导体上时,则载流子增多,使半导体电阻值下降。值下降。第21页,此课件共48页哦图图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值
12、变化图 第22页,此课件共48页哦规则总结规则总结:氧化型气体氧化型气体N型半导体:载流子数下降,型半导体:载流子数下降,电阻增加电阻增加还原型气体还原型气体N型半导体:载流子数增加,型半导体:载流子数增加,电阻减小电阻减小氧化型气体氧化型气体P型半导体:载流子数增加,型半导体:载流子数增加,电阻减小电阻减小还原型气体还原型气体P型半导体:载流子数下降,型半导体:载流子数下降,电阻增加电阻增加 第23页,此课件共48页哦4、半导体气敏传感器类型及结构、半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 图图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(
13、a)烧结型气敏器件;烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;薄膜型器件;(c)厚膜型器件厚膜型器件 第24页,此课件共48页哦图图9-2 气敏半导体传感器的器件结构气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件;烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;薄膜型器件;(c)厚膜型器件厚膜型器件 第25页,此课件共48页哦 由由于于加加热热方方式式一一般般有有直直热热式式和和旁旁热热式式两两种种,因因而而形形成成了了直直热热式式和和旁旁热热式式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图9-3所示。所示。图图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号直热式气敏器件的结构及符号(a)
14、结构;结构;(b)符号符号第26页,此课件共48页哦 旁热式气敏器件的结构及符号如图旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示所示图图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号旁热式气敏器件的结构及符号(a)旁热式结构;旁热式结构;(b)符号符号第27页,此课件共48页哦 2.非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 非非电电阻阻型型气气敏敏器器件件也也是是半半导导体体气气敏敏传传感感器器之之一一。它它是是利利用用MOS二二极极管管的的电电容容电电压压特特性性的的变变化化以以及及MOS场场效效应应晶晶体体管管(MOSFET)的的阈阈值值电电压压的的变变化化等等物物性性而而制制成成的的气气敏敏元
15、元件件。由由于于类类器器件件的的制制造造工工艺艺成成熟熟,便便于于器器件件集集成成化化,因因而而其其性性能能稳稳定定且且价价格格便便宜宜。利利用用特特定定材材料料还还可可以以使使器器件件对对某些气体特别敏感。某些气体特别敏感。第28页,此课件共48页哦 (1)MOS二二极极管管气气敏敏器器件件 MOS二二极极管管气气敏敏元元件件制制作作过过程程是是在在P型型半半导导体体硅硅片片上上,利利用用热热氧氧化化工工艺艺生生成成一一层层厚厚度度为为50100 nm的的二二氧氧化化硅硅(SiO2)层层,然然后后在在其其上上面面蒸蒸发发一一层层钯钯(Pd)的的金金属属薄薄膜膜,作作为为栅栅电电极,如图极,如
16、图9-5(a)所示。所示。图图 9-5 MOS二极管结构和等效电路二极管结构和等效电路(a)结构;结构;(b)等效电路;等效电路;(c)C-U特性特性 第29页,此课件共48页哦 (2)MOS场场效效应应晶晶体体管管气气敏敏器器件件 钯钯-MOS场场效效应应晶晶体体管管(Pd-MOSFET)的结构,的结构,参见图参见图9-6。图图 9-6 钯钯MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构第30页,此课件共48页哦(1)气敏元件灵敏度特性气敏元件灵敏度特性烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型SnO2气气敏敏器器件件对对气气体体的的灵灵敏敏度度特特性性如如右右图图所所示示。气气敏敏元元件件的的
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