化学气体传感器.ppt

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1、第14章气体传感器 14 气气 体体 传 感感 器器 14.1 概述概述 气气体体传传感感器器是是将将被被测测气气体体浓浓度度转转换换为为与与其其一一定定关关系系的的电电量量输出的装置或器件。输出的装置或器件。气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。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，按按构构成成气气体体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导体两大类。目前实际使用最多的是半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器

2、。半导体气体传感器。半半导体体气气体体传感感器器是是利利用用待待测气气体体与与半半导体体表表面面接接触触时，产生的生的电导率等物理性率等物理性质变化化来来检测气体的。气体的。n按按照照半半导体体与与气气体体相相互互作作用用时产生生的的变化化只只限限于于半半导体体表表面面或或深深入入到到半半导体体内内部部，可可分分为表表面面控控制制型型和和体体控控制型。制型。n表表面面控控制制型型：半半导体体表表面面吸吸附附的的气气体体与与半半导体体间发生生电子子接接受受，结果果使使半半导体体的的电导率率等等物物理理性性质发生生变化化，但内部化学但内部化学组成不成不变；n体体控控制制型型：半半导体体与与气气体体

3、的的反反应，使使半半导体体内内部部组成成发生生变化，而使化，而使电导率率变化。化。14.2 半半导体气体体气体传感器。感器。n按按照照半半导体体变化化的的物物理理特特性性，又又可可分分为电阻阻型型和和非非电阻型。阻型。n电阻阻型型半半导体体气气敏敏元元件件是是利利用用敏敏感感材材料料接接触触气气体体时，其阻其阻值变化来化来检测气体的成分或气体的成分或浓度；度；n非非电阻阻型型半半导体体气气敏敏元元件件是是利利用用其其它它参参数数，如如二二极极管管伏伏安安特特性性和和场效效应晶晶体体管管的的阈值电压变化化来来检测被被测气体的。气体的。14.2 半半导体气体体气体传感器。感器。14.2.1 半半导

4、体气体体气体传感器的机理感器的机理u半半导体体气气体体传感感器器是是利利用用气气体体在在半半导体体表表面面的的氧氧化化和和还原原反反应导致敏感元件阻致敏感元件阻值变化而制成的。化而制成的。u当当半半导体体器器件件被被加加热到到稳定定状状态，在在气气体体接接触触半半导体体表表面面而而被被吸吸附附时，被被吸吸附附的的分分子子首首先先在在表表面面物物性性自自由由扩散散，失失去去运运动能能量量，一一部部分分分分子子被被蒸蒸发掉掉，另另一一部部分分残残留留分分子子产生生热分分解解而而固固定定在在吸吸附附处（化学吸附）。（化学吸附）。当当半半导体体的的功功函函数数小小于于吸吸附附分分子子的的亲和和力力(气

5、气体体的的吸吸附附和和渗渗透透特特性性)时，吸吸附附分分子子将将从从器器件件夺得得电子子而而变成成负离离子子吸吸附附，半半导体体表表面面呈呈现电荷荷层。例例如如氧氧气气等等具具有有负离离子子吸吸附附倾向向的的气体被称气体被称为氧化型气体或氧化型气体或电子接收性气体子接收性气体。如如果果半半导体体的的功功函函数数大大于于吸吸附附分分子子的的离离解解能能，吸吸附附分分子子将将向向器器件件释放放出出电子子，而而形形成成正正离离子子吸吸附附。具具有有正正离离子子吸吸附附倾向向的的气气体体有有H2、CO、碳碳氢化化合合物物和和醇醇类，它它们被被称称为还原原型型气气体或体或电子供子供给性气体性气体。u当当

6、氧氧化化型型气气体体吸吸附附到到N型型半半导体体上上，还原原型型气气体体吸吸附附到到P型型半半导体体上上时，将将使使半半导体体载流流子子减减少少，而而使使半半导体体电阻阻值增增大大。当当还原原型型气气体体吸吸附附到到N型型半半导体体上上，氧氧化化型型气气体体吸吸附附到到P型型半半导体上体上时，则载流子增多，使半流子增多，使半导体体电阻阻值下降下降。u由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气气体体浓度度发生生变化化，其其阻阻值也也将将变化化。根根据据这一一特特性性，可可以以从从阻阻值的的变化化得得知知吸吸附附气气体体的的种种类和和浓度。度。uN型材料有

7、SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。图 14-1 N型半型半导体吸附气体体吸附气体时器件阻器件阻值变化化图 半半导体气体体气体传感器感器类型及型及结构构 1.电阻型半阻型半导体气体体气体传感器感器SnO2系列气敏元件有系列气敏元件有烧结型型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三种。三种。烧结型型应用最广泛性。用最广泛性。图14-2 半半导体气体体气体传感器的敏感元件感器的敏感元件(a)烧结型元件；型元件；(b)薄膜型元件薄膜型元件(c)厚膜型元件厚膜型元件 10烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 其敏感体用粒径很小其敏感体用粒径很小(平均粒径平均粒径m)的的SnO

8、2粉体粉体为基本材基本材料，根据需要添加不同的添加料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作，混合均匀作为原料。主要用于原料。主要用于检测可燃的可燃的还原性原性气体，其工作温度气体，其工作温度约300。根据加。根据加热方式，分方式，分为直接加直接加热式式和和旁旁热式式两种两种。（1）直接加）直接加热式式SnO2气敏元件气敏元件(直直热式气敏元件式气敏元件)直接加热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号l由芯片由芯片(敏感体和加敏感体和加热器器)，基，基座和金属防爆网罩三部分座和金属防爆网罩三部分组成。成。l因其因其热容量小、容量小、稳定性差，定性差，测

9、量量电路与加路与加热电路路间易相易相互干互干扰，加，加热器与器与SnO2基体基体间由于由于热膨膨胀系数的差异而系数的差异而导致接触致接触不良，造成元件的失效，不良，造成元件的失效，现已已很少使用。很少使用。11（2）旁）旁热式式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布 2.非非电阻型半阻型半导体气体体气体传感器感器u非非电阻阻型型气气敏敏器器件件也也是是半半导体体气气体体传感感器器之之一一。它它是是利利用用MOS二二极极

10、管管的的电容容电压特特性性的的变化化以以及及MOS场效效应晶晶体体管管(MOSFET)的的阈值电压的的变化化等物性而制成的气敏元件。等物性而制成的气敏元件。u由由于于类器器件件的的制制造造工工艺成成熟熟，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可可以以使使器器件件对某某些些气气体体特特别敏感。敏感。(1)MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二二极极管管气气敏敏元元件件制制作作过程程是是在在P型型半半导体体硅硅片片上上，利利用用热氧氧化化工工艺生生成成一一层厚厚度度为50100nm的的二二氧氧化化硅硅(SiO2)层，然然后后在

11、在其其上上面面蒸蒸发一一层钯(Pd)的的金金属属薄薄膜膜，作作为栅电极极，如如图14-5(a)所示。所示。图14-5MOS二极管结构和等效电路(a)结构；(b)等效电路；(c)C-U特性1514.3 半导体气敏元件的特性参数半导体气敏元件的特性参数 （1 1）气敏元件的）气敏元件的电阻阻值 将将电阻阻型型气气敏敏元元件件在在常常温温下下洁净空空气气中中的的电阻阻值，称称为气气敏敏元元件件(电阻阻型型)的的固固有有电阻阻值，表表示示为。一一般般其其固固有有电阻阻值在在(10103 310105 5)范范围。测定定固固有有电阻阻值时,要要求求必必须在在洁净空空气气环境境中中进行行。由由于于经济地地

12、理理环境境的的差差异异，各各地地区区空空气气中中含含有有的的气气体体成成分分差差别较大大，即即使使对于于同同一一气气敏敏元元件件，在在温温度度相相同同的的条条件件下下，在在不不同同地地区区进行行测定定，其其固固有有电阻阻值也也都都将将出出现差差别。因因此此，必必须在在洁净的的空空气气环境中境中进行行测量。量。16（2）气敏元件的灵敏度）气敏元件的灵敏度 表征气敏元件表征气敏元件对于被于被测气体的敏感程度的指气体的敏感程度的指标。它表示气体。它表示气体敏感元件的敏感元件的电参量（如参量（如电阻型气敏元件的阻型气敏元件的电阻阻值）与被）与被测气体气体浓度之度之间的依从关系。表示方法有三种的依从关系

13、。表示方法有三种（a a）电阻比灵敏度阻比灵敏度K K（b b）气体分离度）气体分离度R RC1C1气敏元件在气敏元件在浓度度为C1C1的被的被测气体中的阻气体中的阻值：R R2 2气敏元件在气敏元件在浓度度为C2C2的被的被测气体中的阻气体中的阻值。通常，通常，C C1 1C C2 2。（c c）输出出电压比灵敏度比灵敏度K KV VV Va a:气敏元件在气敏元件在洁净空气中工作空气中工作时，负载电阻上的阻上的电压输出；出；V Vg g:气敏元件在气敏元件在规定定浓度被度被测气体中工作气体中工作时，负载电阻的阻的电压输出出 Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体

14、中的电阻值17（4）气敏元件的响）气敏元件的响应时间表表示示在在工工作作温温度度下下，气气敏敏元元件件对被被测气气体体的的响响应速速度度。一一般般从从气气敏敏元元件件与与一一定定浓度度的的被被测气气体体接接触触时开开始始计时，直直到到气气敏敏元元件件的的阻阻值达达到到在在此此浓度度下下的的稳定定电阻阻值的的63时为止止，所所需需时间称称为气敏元件在此气敏元件在此浓度下的被度下的被测气体中的响气体中的响应时间，通常用符号，通常用符号tr表示。表示。（3）气敏元件的分辨率）气敏元件的分辨率表示气敏元件表示气敏元件对被被测气体的气体的识别（选择）以及）以及对干干扰气体的抑制气体的抑制能力。气敏元件分

15、辨率能力。气敏元件分辨率S表示表示为Va气敏元件在气敏元件在洁净空气中工作空气中工作时，负载电阻上的阻上的输出出电压；Vg气敏元件在气敏元件在规定定浓度被度被测气体中工作气体中工作时，负载电阻上的阻上的电压Vgi气敏元件在气敏元件在i种气体种气体浓度度为规定定值中工作中工作时，负载电阻的阻的电压18（5 5）气敏元件的加）气敏元件的加热电阻和加阻和加热功率功率 气敏元件一般工作在气敏元件一般工作在200200以上高温。以上高温。为气气敏敏元元件件提提供供必必要要工工作作温温度度的的加加热电路路的的电阻阻(指指加加热器器的的电阻阻值)称称为加加热电阻阻，用用R RH H表表示示。直直热式式的的加

16、加热电阻阻值一一般般小于小于55；旁；旁热式的加式的加热电阻大于阻大于2020。气气敏敏元元件件正正常常工工作作所所需需的的加加热电路路功功率率，称称为加加热功功率率，用用表示。一般在表示。一般在(0.5(0.52.0)2.0)W范范围。（6）气敏元件的恢复）气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下表示在工作温度下,被被测气体由气体由该元件上解吸的速度元件上解吸的速度,一般从气一般从气敏元件脱离被敏元件脱离被测气体气体时开始开始计时,直到其阻直到其阻值恢复到在恢复到在洁净空气中空气中阻阻值的的63时所需所需时间。19（7）初期）初期稳定定时间 长期在非工作状期在非工作状态下存放的气敏元件下存放的气

17、敏元件,因表面吸附空气中的水因表面吸附空气中的水分或者其他气体分或者其他气体,导致其表面状致其表面状态的的变化，在加上化，在加上电负荷后荷后,随着随着元件温度的升高元件温度的升高,发生解吸生解吸现象。因此象。因此,使气敏元件恢复正常工作使气敏元件恢复正常工作状状态,需要一定的需要一定的时间,称称为气敏元件的初期气敏元件的初期稳定定时间。一般一般电阻型气敏元件阻型气敏元件,在在刚通通电的瞬的瞬间,其其电阻阻值将下降将下降,然然后再上升后再上升,最后达到最后达到稳定。由开始通定。由开始通电直到气敏元件阻直到气敏元件阻值到达到达稳定定所需所需时间,称称为初期初期稳定定时间。初期。初期稳定定时间是敏感

18、元件存放是敏感元件存放时间和和环境状境状态的函数。存放的函数。存放时间越越长,其初期其初期稳定定时间也越也越长。在一。在一般条件下般条件下,气敏元件存放两周以后气敏元件存放两周以后,其初期其初期稳定定时间即可达最大即可达最大值。14.3 气体气体传感器感器应用用 半半导体体气气体体传感感器器由由于于具具有有灵灵敏敏度度高高、响响应时间和和恢恢复复时间快快、使使用用寿寿命命长以以及及成成本本低低等等优点点，从从而而得得到到了了广广泛泛的的应用用。按其用途可分按其用途可分为以下几种以下几种类型：型：u检测u报警警u监控控烟烟雾报警器警器酒精酒精传感器感器二氧化碳二氧化碳传感器感器21u这是气敏元件是气敏元件应用用电路的主体部分。路的主体部分。u下下图是是设有有串串联蜂蜂鸣器器的的应用用电路路。随随着着环境境中中可可燃燃性性气气体体浓度度的的增增加加，气气敏敏元元件件的的阻阻值下下降降到到一一定定值后后，流流入入蜂蜂鸣器器的的电流，足以推流，足以推动其工作而其工作而发出出报警信号。警信号。220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR