新型检测课件2-气敏
半导体气敏传感器分类 ppt课件
2)氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发
动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳 燃烧状态，以达节能目的。
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气敏元件外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火 起动发动机。
若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1为高电 平，U3为为低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管
VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法起动发动机。 若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触电K1-1断开，仍
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2)温湿度特性
SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿
度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。
3)初期恢复特性及初期稳定特性
经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化
（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存
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A、烧结型气体传感器的结构与符号
烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种, 其结构与符号如图4-2-1、4-2-2所示。
直热式的加热 丝兼作电极。其结 构简单、成本低、 功耗小；但热容量 小，易受环境气流 影响；因加热丝热 胀冷缩，易使之与 材料接触不良；在 测量电路中，信号 电路和加热电路相 互干扰。
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2
2、半导体气敏传感器分类：
半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型 两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnO2）、氧 化锌（ZnO）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型 有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传 感器）和固体电解质型。
MQ-2 可燃气体检测用半导体气敏元件 说明书
产品说明书半导体气敏元件系列MQ-2可燃气体检测用半导体气敏元件MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO 2)。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
特点元件外形结构*在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度*对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高*长寿命、低成本*简单的驱动电路即可应用*家庭用气体泄漏报警器*工业用可燃气体报警器*便携式气体检测器技术指标基本测试回路上图是传感器的基本测试电路。
该传感器需要施加2个电压：加热器电压（V H ）和测试电压（V C ）。
其中V H 用于为传感器提供特定的工作温度。
V C 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R L ）上的电压（V RL ）。
这种传感器具有轻微的极性，V C 需用直流电源。
在满足传感器电性能要求的前提下，V C 和V H 可以共用同一个电源电路。
为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。
敏感体功耗（Ps）值可用计算下式：Ps=Vc 2×Rs/(Rs+R L )2传感器电阻（Rs），可用下式计算：Rs=(Vc/V RL -1)×R L产品型号MQ-2产品类型半导体气敏元件标准封装胶木（黑胶木）检测气体可燃气体、烟雾检测浓度300-10000ppm(可燃气体)标准电路条件回路电压Vc ≤24VDC加热电压V H 5.0V±0.2V ACorDC负载电阻R L 可调标准测试条件下气敏元件特性加热电阻R H 31Ω±3Ω（室温）加热功耗P H ≤900mW敏感体表面电阻Rs2KΩ-20KΩ(in 2000ppmC 3H 8)灵敏度S Rs(in air)/Rs(1000ppm异丁烷)≥5浓度斜率α≤0.6(R 3000ppm /R 1000ppm C 3H 8)标准测试条件温度、湿度20℃±2℃；65%±5%RH 标准测试电路Vc:5.0V±0.1V；V H :5.0V±0.1V 预热时间不少于48小时VcV HGNDR LV RL灵敏度特性温/湿度的影响图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。
第三章__气敏[2]
![第三章__气敏[2]](https://img.taocdn.com/s3/m/cc6bfd3383c4bb4cf7ecd1c0.png)
第三章 气敏、湿敏电阻传感器第一节气敏电阻传感器的原理及结构工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中某些气体的成分、浓度。
例如，煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸；家庭发生煤气泄漏时，将发生煤气中毒事件；农业塑料大棚中CO 2浓度不足时，农作物将减产；锅炉和汽车发动机汽缸燃烧过程中氧气含量不正确时，效率将降低，并造成环境污染。
使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换成电流、电压信号。
一、气敏电阻的构成气敏电阻的材料是金属氧化物，制作上通过化学计量比的偏离的杂质缺陷制成的。
金属氧化物半导体分为N 型半导体（如2SnO 、23Fe O 等）和P 型半导体（如O C O 、PbO ）等。
为了提高某种气敏电阻对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成这些材料时，还掺入催化剂，如钯Pd 、铂Pt 等。
二、气敏电阻的原理及特性金属氧化物在常温下是绝缘体，制成半导体后却显示气敏特性，其机理是比较复杂的。
但是，这种气敏元件接触气体时，由于表面吸附气体，致使它的电阻率发生明显的变化却是肯定的。
这种对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附。
在常温下主要是物理吸附，是气体与气敏材料表面上分子的吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。
若气敏电阻温度升高，化学吸附增加，在某一温度时达到最大值。
化学吸附是气体与气敏材料表面建立离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。
若气敏电阻的温度再升高，由于解吸作用，两种吸附同时减小。
例如，用氧化锡（S n O 2）制成的气敏电阻，在常温下吸附某种气体后，其电阻率变化不大，表明此时是物理吸附。
若保持这种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在100~300℃范围内电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用大。
气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。
为此，气敏元件在结构上要有加热器，通常用电阻丝加热，如图3-1所示。
《气敏材料能检测》课件
气敏材料在长时间使用过程中可 能发生性能衰减，影响检测的准
确性。
选择性限制
不同气敏材料对不同气体的敏感度 不同，可能存在选择性限制。
成本问题
一些高性能的气敏材料制备成本较 高，限制了其广泛应用。
如何应对气敏材料的挑战
加强基础研究
深入开展气敏材料的基础研究，探索提高稳定性 和选择性的方法。
优化制备工艺
通过优化制备工艺，降低高性能气敏材料的成本 ，促进其广泛应用。
跨领域合作
加强跨领域合作，将气敏材料与传感器技术、物 联网等领域结合，拓展应用场景。
THANK YOU
疗诊断等领域得到了广泛应用。
气敏材料的未来展望
随着科技的不断发展，气敏材料将会 继续向着高灵敏度、高选择性、快速 响应和低成本的方向发展。
同时，随着人们对气体检测需求的不 断增加，气敏材料的应用领域也将不 断拓展，为人类的生产和生活提供更 加安全和便捷的保障。
新材料和新技术将会不断涌现，为气 敏材料的研发和应用提供更多的可能 性。
《气敏材料能检测》PPT课件
• 气敏材料简介 • 气敏材料的检测原理 • 气敏材料的发展历程 • 气敏材料的实际应用案例 • 气敏材料的发展趋势与挑战
01
气敏材料简介
气敏材料的定义
气敏材料
指能够感应周围环境中的气体成分、浓度、湿度等参数，并能够将相关信息转 化为可识别信号的材料。
气敏材料的原理
长时间使用可能导致性能 下降。
成本较高
部分高性能气敏材料成本 较高。
03
气敏材料的发展历程
气敏材料的起源
气敏材料的起源可以追溯到20世纪初，当时人们开始研究如何利用材料对气体进行 敏感检测。
《检测技术》PPT课件
按转换原理分类
结构型传感器
利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的 作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应 的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动 定律或电磁定律实现转换的。
物性型传感器 复合型传感器
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9
TMT&AI ›› 检测元件与检测技术
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TMT&AI ›› 检测元件与检测技术
传感技术基础
基础效应
光磁电效应
▪ 克尔效应：光通过各种同性物质并在垂直方向加 电压时分成正常和异常光线（光电→光）
▪ 法拉第效应：线偏振光通过磁性物质时偏振面旋 转（光磁→电）
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传感技术基础
▪ 一般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传 感器工作的数学模型。例如，利用静电场制成的 电容式传感器，利用电磁感应定律可制成的电感 （自感或互感）式传感器等等。
▪ 利用场的定律制成，可统称为结构型传感器。
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传感技术基础
自然规律
物质定律
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传感技术基础
自然规律
守恒定律
▪ 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 ▪ 这些定律是分析、研制新型传感
器时必须严格遵守的基本法则。
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传感技术基础
自然规律
场的定律
▪ 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作 用与物体在空间的位置及分布状态有关。
气敏传感器公开课ppt知识讲稿
• 气敏传感器概述 • 气敏传感器的技术原理 • 气敏传感器的应用实例 • 气敏传感器的发展趋势与挑战 • 结论
01
气敏传感器概述
定义与工作原理
定义
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它能将气体种类和浓度信息转换成 电信号，以便进一步处理和控制。
工作原理
气敏传感器的工作原理主要是基于不同气体对传感器材料的吸附、反应或化学 变化，从而改变传感器的电阻、电容、电感等参数，最终输出电信号。
01
02
03
原理
利用敏感材料吸附气体分 子后，其电阻值发生变化， 通过测量电阻值来检测气 体浓度。
敏感材料
金属氧化物、导电聚合物 等。
应用场景
广泛应用于可燃气体、有 毒气体、酒精等检测。
非电阻型气敏传感器
原理
利用敏感材料吸附气体分子后，其电 导率、电容、频率等参数发生变化， 通过测量这些参数来检测气体浓度。
敏感材料
应用场景
广泛应用于二氧化碳、湿度、氧气等 检测。
半导体金属氧化物、高分子材料等。
气敏传感器的性能参数
灵敏度
指传感器输出变化量与 输入变化量之比，越高
越好。
响应时间
稳定性
选择性
指传感器输出变化达到 稳定值所需的时间，越
短越好。
指传感器在长时间内保 持性能参数不变的能力，
越强越好。
指传感器对不同气体的 敏感程度，越高越好。
隐患。
工作原理
气敏传感器通过敏感材料吸附烟雾 颗粒，并检测其电阻变化来探测烟 雾。
应用场景
家庭、办公室、工厂、仓库等场所 的火灾预警系统。
天然气泄漏检测
天然气泄漏检测
传感器与检测技术实训三气敏、湿敏传感器
第2章 电阻式传感器
好好休息
第2章 电阻式传感器 3、化学实验室有害气体鉴别
下图所示为有害气体鉴别器的电路。MQS2B是烟雾、 有害气体传感器，平时阻值较高（10kΩ左右）。当有 烟雾或有害气体进入时，阻值急剧下降。
第2章 电阻式传感器
MQS2B的A、B两端电压下降时，＋12V电压经 MQS2B的压降减少，使得B的电压升高，经电阻R1和 RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的⑤端。 当⑤端电压达到预定值时，①、②两端导通。
高分子式 光纤湿敏传感器 界限电流式湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等
湿敏传感器的分类
第2章 电阻式传感器
电阻式湿敏传感器
电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度 变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量 为电阻值。
根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感 器可分为： 电解质式(氯化锂） 陶瓷式 高分子式
第2章 电阻式传感器
这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使 附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速 气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应 速度，一般加热到200℃～400℃。
第2章 电阻式传感器
◎气敏元件的基本测量电路 半导体式气敏传感器
的基本测量电路主要包 括两部分：即气敏元件 的加热回路和测试回路。
第2章 电阻式传感器
气敏、湿敏电阻式传感器
☆气敏电阻传感器
利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化， 借此来检测待定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。
气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部 门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
气敏电阻的材料是金属氧化物
气敏、湿敏传感器
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏传感器检测应用-PPT课件
烧结成球状多孔体。将烧结后的小球 , 放在贵金属铂、钯
等的盐溶液中 , 充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处 理 , 使在氧化铝 ( 氧化铝一氧化硅 ) 载体上形成贵金属触媒
层,最后组装成气体敏感元件。
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
F2 D R1 M F1 C
W2 B
E0
R2
W1
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
R R R F F 1 1 E E 0 R R R R R F F F 1 2 1 2
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
2、接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路
A
F2
M
F1
D R1
C
W2
B
R2 W1
E0
湖南铁道职业技术
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设
F1 是检测元件， F2 是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体 接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的 偏差。
湖南铁道职业技术
E=k•m•b
丙烷 输 150 出 电 100 压 / mV 50 乙醇 异丁烷 丙酮 环己烷 0 0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
气体浓度(XLEL)
接触燃烧式气敏元件的感应特性
3、接触燃烧式气敏元件的结构
应 用 电 子 技 术 专 业 教 学 资 源 建 设 用高纯的铂丝 , 绕制成线圈 , 为了使线圈具有适当的阻值 (1Ω～2Ω),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或 氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层 , 干燥后在一定温度下
气体传感器与其应用
➢当气敏元件的检测到一定浓度的可燃气体时 ，B-B端 对地电位上升 ，使1IC 的①脚的电压也上升，当电压 升高到0.2V时 ，1IC的③脚立即由低电位变为高电位， 这时2IC、3IC相继工作。 2IC、3IC均为5G1555组成的自 激多谐振荡器，不过2IC工作在超低频，而3IC工作在音 频范围内。适当调整R1或R2，使2IC工作频率为1Hz， 这时作指示灯用的发光二极管LED将闪烁发光，电压蜂 鸣器YD便发出“嘀、嘀”的报警声。
三、常见气体传感器及其应用
1．QM—N5型气敏传感器及应用
QM—N5是一种应用广泛的国产气敏传感器，它由绝 缘陶瓷管、加热器、电极及氧化锡烧结体等构成。 工作时，电热丝通电加热，当无被测气体流入时， 由于空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸 附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。 当有被测气体流入，元件表面将产生吸附作用，元 件的阻值将随气体浓度而变化，然后由测量回路按 照浓度和阻值的变化关系即可推算出气体的浓度。
直热式器件的缺
点，其测量极与
加热电阻丝分开，
加热丝不与热敏
材料接触，
图5-3 QM—N5外形和符号
避免了测量回路与加热回路之间的互相影响。而且 器件热容量大，降低了环境气温对器件加热温度的 影响，并容易保持SnO2材料结构稳定。
（2）薄膜型SnO2气敏元件 薄膜型SnO2气敏元件一般是在绝缘基板上蒸发或溅 射一层SnO2薄膜，再引出电极即成。这种器件制作 方法简单，但器件特性一致性差，灵敏度不如烧结型 器件高。 （3）厚膜型SnO2气敏元件 厚膜型SnO2气敏元件一般采用丝网印刷技术制作， 器件强度好，特性比较一致，便于生产。
图5-2 直热式气敏器件结构与符号
这种器件的缺点是：热容量小，易受环境气流的影响， 测量回路和加热回路之间没有隔离，互相影响。
第三章__气敏[2]
第三章 气敏、湿敏电阻传感器第一节气敏电阻传感器的原理及结构工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中某些气体的成分、浓度。
例如，煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸；家庭发生煤气泄漏时，将发生煤气中毒事件；农业塑料大棚中CO 2浓度不足时，农作物将减产；锅炉和汽车发动机汽缸燃烧过程中氧气含量不正确时，效率将降低，并造成环境污染。
使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换成电流、电压信号。
一、气敏电阻的构成气敏电阻的材料是金属氧化物，制作上通过化学计量比的偏离的杂质缺陷制成的。
金属氧化物半导体分为N 型半导体（如2SnO 、23Fe O 等）和P 型半导体（如O C O 、PbO ）等。
为了提高某种气敏电阻对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成这些材料时，还掺入催化剂，如钯Pd 、铂Pt 等。
二、气敏电阻的原理及特性金属氧化物在常温下是绝缘体，制成半导体后却显示气敏特性，其机理是比较复杂的。
但是，这种气敏元件接触气体时，由于表面吸附气体，致使它的电阻率发生明显的变化却是肯定的。
这种对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附。
在常温下主要是物理吸附，是气体与气敏材料表面上分子的吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。
若气敏电阻温度升高，化学吸附增加，在某一温度时达到最大值。
化学吸附是气体与气敏材料表面建立离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。
若气敏电阻的温度再升高，由于解吸作用，两种吸附同时减小。
例如，用氧化锡（S n O 2）制成的气敏电阻，在常温下吸附某种气体后，其电阻率变化不大，表明此时是物理吸附。
若保持这种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在100~300℃范围内电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用大。
气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。
为此，气敏元件在结构上要有加热器，通常用电阻丝加热，如图3-1所示。
新型传感器原理及应用ppt课件
5.1 气敏、湿敏传感器
2) 正特性湿敏半导瓷的导电原理 正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不 同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导 致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空 穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导 瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
5.1 气敏、湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这 些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷， 最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半导瓷)。
1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2OV2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3
Fe3O4半导瓷正湿敏特性图
5.1 气敏、湿敏传感器
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸 附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降， 将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若 该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表 面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的 空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度， 出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以 在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型
气敏传感器
1.3 半导体式气敏传感器的工作原理 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 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度
半导体式气敏传感器可分为：
–电阻式 –非电阻式
表面电阻控制型气敏传感器的工作原理 ㈠表面电导理论 表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体 种类及浓度的不同增大或减小。当半导体器件被加热 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（化学吸附）。吸附分子和材料表面 层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子， 同时影响半导体材料表面层的性质。
体电阻控制型
半导体气敏传感器 二极管式气敏传感器 非电阻控制型 MOS二极管式气敏传感器 Pd-MOSFET气敏传感器
图1：半导体式气敏传感器的分类
气敏传感器的性能要求：
对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等
正是由于吸附的气体分子从材料表面得到或者给 予电子，使表面层的阻值发生了改变，我们分别考虑 以下两种情况：
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器 件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现空间电荷区。 氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子 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H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体 或电子供给性气体。
图6 ：输出电压与温度的关系
2.2 半导体传感器在实际电路中的应用
气敏检测
基于单片机的气敏传感器测试系统一、引言气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。
本文介绍一种新型的气敏传感器测试系统的设计方法。
该系统基于具有语音处理功能的凌阳SPCE061A单片机，能同时进行多路传感器测试、过程控制，及用虚拟仪器完成数据处理，并能用语音直接播报测试结果，克服了目前气敏传感器人工操作测试带来的效率低、误差大、操作人员长时间工作等问题。
将给操作人员带来极大方便，下面就介绍一种具有新功能的新型的气敏传感器测试系统。
二、气敏传感器测量原理作为气体敏感材料的半导体氧化物的气—电转换机理是：在不同气体中，半导体氧化物材料发生的氧化—还原反应不同，从而引起材料电导（电导与电阻互为倒数）的不同变化，使传感器分辨出被测气体。
因此，只要能测量出已知气体中气体传感器电导的变化，就可测量出该气敏传感器的性能指标。
气敏传感器的测试电路如图1所示，负载电阻RL 串联在传感器中，串联回路施加工作电压VC，VF为热丝两端加热电压。
在洁净空气中，传感器的电阻RO 较大，在负载电阻RL上的输出电压较小；当在待测气体中时，传感器的电阻RO 变得较小，则负载电阻RL上的输出电压较大，其电压值与VRL器件的电阻值RO之间的关系如下：RO=RLL RLCVR VV) (式中：为VC 测量电压，一般为5V；VRL为负载电压；为RL负载电阻（已知）；RO为元件的电阻值。
随着已知气体浓度不同，负载电压产生不同变化，传感器的元件阻值也会产生相应的变化，而根据不同气体环境下元件电阻的阻值，就可判断出该传感器的指标是否符合标准值。
图1 气敏传感器的测试电路三、系统硬件设计气敏传感器测试系统如图2所示，由元件测试箱和PC微机两部分组成。
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第二章 §1 气敏传感器的用途及特性参数
二、气敏传感器的特性参数 2.灵敏度 表征气敏元件对被测气体灵敏程度的指标.
根据使用情况、输出形式不同,有几种常用表示方法.
(1)电阻比灵敏度 K R(电阻输出型)
KR R R0
R-气敏元件在规定浓度(如0.01%)标定待测气体中的电阻值. R0-气敏元件在洁净的空气中的电阻值.
第二章 §1 气敏传感器的用途及特性参数
二、气敏传感器的特性参数 5.恢复时间 --从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其 输出恢复到洁净空气中值的90%为止,所用时间. 6.工作条件 --电压、温度、湿度等通用条件,不同类型气体传感 器还有灯丝电流、负载电阻、加热功率等特殊要求. 7.其他技术参数 --误差(精度%),重复误差%FS,温度系数、线性度等, 与其它传感器基本相同.
《过程参数新型检测技术》
授课教师: 姜 波
2011年4月13日
本次课主要内容
第二章 气体检测及气敏传感器
§1 气敏传感器的用途及特性参数
气敏传感器用途 气敏传感器的特性参数
§2 气体检测的主要方法 电化法、光学 Nhomakorabea、电测法
§3 电测法气体测量传感器
接触燃烧式气敏传感器 热导率变化式气敏传感器 半导体气敏传感器 SAW(声表面波)气体传感器
催化物及作用 烧结后放在贵金属盐液充分浸后烘干,进行热处理后形成的 贵金属触媒层,使反应加速.有的是将贵金属和氧化物混在一起 制成膏状,涂在铂丝外烧结.改变触媒配方还可在一定程度上提 高元件的选择性(气体识别性).
第二章 §3 电测法气体测量传感器
一、接触燃烧式气敏传感器
2.检测原理
可燃气体[H、CO、CH4(甲烷等)]与空气中的氧接触发生氧化 反应,产生反应热(无焰接触燃烧热).
元件线圈中通有电流(一般为100-200mA),以供给可燃性 气体吸附在检测元件上发生氧化反应时所需要的热量 (一般为300~6000C).可燃性气体与元件表面接触时,燃烧 热使元件内金属丝温度升高→电阻值增大.其阻值变化与 燃烧热成比例.
R T m
C
元件电阻温度系数. T 接触燃烧温度增加值. 可燃性气体的燃烧热. C 检测元件的热容量. m 可燃气体的浓度[%(Vol)].
气室
被测 气体
电子e-
恒压源 电流 I
UR
原理:被测气体通过隔膜扩散到电解液后,不同气体会在不同定 电压下发生电解,通过测量扩散电流得知被测量气体参数.
第二章 气体检测及气敏传感器
§2 气体检测的主要方法
从检测原理可将 气敏传感器归为三类： 电化法、光学法、电测法
电化法
基于气体对某种溶液产生化学反应,使溶液的某种性质 发生变化的方法.(有电解法、电量法、溶液导电法等)
相对臂电阻变化对输出的影响是叠加的. 相邻臂电阻变化对输出的影响是相消的.
第二章 §3 电测法气体测量传感器
一、接触燃烧式气敏传感器 3.信号处理
测量桥路 R1,R2-两限流电阻,使通过F1,F2 元件的电流达到要求值. RF1-检测元件的电阻. RF2-补偿元件的电阻,补偿由于环境温度 及电压变化引起的偏差. 要求F1,F2 元件性能一致,且通有一定的电流. W1-零点调整.
第二章 §3 电测法气体测量传感器
三、半导体气敏传感器 半导体气敏传感器采用金属氧化物作为敏感 元件, 这些金属氧化物是利用陶瓷工艺制成的具 有半导体特性的材料--半导体陶瓷(简称半导瓷). 当半导瓷同某气体接触时,致使其电学性质 发生变化,以此来检测特定气体的成分和浓度. 半导体气体传感器分为两类: 电阻(输出)型气敏传感器 非电阻(输出)型气敏传感器
第二章 §1 气敏传感器的用途及特性参数
二、气敏传感器的特性参数
由于是在大气中检测 某种气体及含量,具有特殊性, 衡量气敏元件性能的技术参数, 与其它传感器有所不同.
1.检测范围 气体检测的范围,是指某种气体在环境气体中 所占比例的敏感范围,故通常用百分数%表示. 由于空气中99%由氮气和氧气所组成,只有不到1% 是二氧化碳和(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等)其它 气体及杂质, 因此,许多气体在空气中所占比例很小, 如果用百分浓度表示, 在使用和计算上都不方便,故 气体传感器中常用10-6来表示.
--表示气敏元件对被测气体的识别及对干扰气体的抑制 能力,通常用S表示. S VE / VP VE-元件在规定浓度(0.01%)标定待测气体(如CO)中的电压. VP-规定相同浓度(0.01%)标定其它非被测气体(如H2)中的电压.
4.响应时间
--表征在工作温度下,气敏元件对被测气体的响应速度. 一般从气敏元件与一定质量分数( 2 10 4 )的被测气体 接触时开始计时,到气敏元件的输出值达到此浓度稳定输 出的90%时为止, 所需时间为气敏元件在此浓度下对被测 气体的响应时间.
典型产品 --接触燃烧式、导热率变化法、半导体法等. 其中半导体法检测元件随电子技术的发展不断更新, 得到广泛的应用.
第二章 气体检测及气敏传感器
§3 电测法气体测量传感器 一、接触燃烧式气敏传感器
--主要用于可燃性气体的检测
催化物 铂丝 氧化铝
1.结构
铂金属丝制成线圈埋在氧化催化剂中烧结而成. 直径0.05mm的铂丝一般绕10圈以上(为使线圈具有1-2Ω 电阻). 线圈外涂氧化铝膏状涂层(提高使用寿命,否则铂丝易断), 干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体.
R1
W1
R2
E
RF 1
RF 2
U
测量原理：U
1 RF 1 R2 RF 2 R1 ( )E 4 RF 1 R2 RF 2 R1
初始：调W1使桥路输出U=0. 测量：检测元件F1与可燃气体接触→R F 1 → U 补偿作用：温度t变化→ RF1 RF 2 → U 0
检测电路一般采用桥路
桥路不仅可将Δ R→U,另外可充分利用桥路 相邻臂对输出影响相消的特点,进行补偿功能.
第二章 §3 电测法气体测量传感器
一、接触燃烧式气敏传感器 3.信号处理
桥路特点
R3 R2 R3 R1 R4 R4 U ( )E E R1 R3 R 2 R4 ( R1 R3 )( R2 R4 )
第二章 气体检测及气敏传感器
§2 气体检测的主要方法
光学法
利用气体对光折射和吸收等性质 进行检测的方法.
光学法特点 优点：从理论上讲为较理想的检测方法.
缺点：光学气敏元件及装置较复杂、价格贵, 对使用环境要求高,使用受限制,不宜 作现场监视和民用.
第二章 气体检测及气敏传感器
§2 气体检测的主要方法 电测法 将被测气体浓度变化转换成电参量进行测 量的方法.该方法以使用简单和便于普及 的突出优点获得飞速发展.
一般可燃气体的浓度都不大于10%,可以完全燃烧. 关系式可知:元件电阻变化量正比于可燃气体的浓度.浓度→R
第二章 §3 电测法气体测量传感器
一、接触燃烧式气敏传感器 3.信号处理
这种气敏元件用于可燃性气体的报警较多(如煤气). 信号处理框图 ΔR 检 测 U 放 大 延 迟 蜂 呜 器
§4 气敏传感器的应用
实际应用举例
第二章 气体检测及气敏传感器
§1 气敏传感器的用途及特性参数 气敏 传感器 一、用途
作为感官的信息输入部分之一,气敏传感器相当于 人的鼻子,用于对气体的识别、检测及报警.
感知环境中某种气体及浓度,并将其 转换成电信号.
特点
气敏元件是在大气中感受被测某种气体. (受被测气体之外其它气体干扰) 被测气体要附着于气敏元件表面,并起化学反应, 属于“化学型”敏感元件. 由于以上突出特点,气敏元件应满足特殊的技术要求.
洁净空气不易获得时,R0也可规定为另一浓度(如0.05%)标定 待测气体(如CO)的另一电阻值.这种表示称:气体分离度.
第二章 §1 气敏传感器的用途及特性参数
二、气敏传感器的特性参数 2.灵敏度 表征气敏元件对被测气体灵敏程度的指标.
根据使用情况、输出形式不同,有几种常用表示方法.
(2)输出电压比灵敏度
R1
R2
E
R3
R4
U
R2R3=R1R4时:桥路平衡,U=0,任一臂阻值变化,有输出Δ U. 桥路各臂阻值变化对输出的影响: 设各臂电阻值变化Δ R1,Δ R2,Δ R3,Δ R4代入上式, 进行整理,略去分母中的Δ R2,当R1=R2=R3=R4时:
1 R3 R1 R2 R4 U ( )E 4 R3 R1 R2 R4
电化法特点 优点：体积小、价格便宜、对低浓度气体具有良好的 选择性(变电压).使用方便. (在低浓度有害气体检测方向发展很快) 缺点： 起电解作用的电解液寿命短,温度影响补偿较困难.
第二章 气体检测及气敏传感器
§2 气体检测的主要方法
光学法
利用气体对光折射和吸收等性质 进行检测的方法.
例:红外吸收式气敏传感器--典型光学法.
二、热导率变化式气敏传感器 结构 将铂金丝或热敏电阻直接放置 在一测量室内构成. 检测原理 气体导热率与浓度有关,且各种气体导热 率不同.
测量时,电阻丝通电加热稳定,被测气体与电阻丝 接触,随着其导热率不同,电阻发生变化进行测量.
特点 该方法由于不用催化物,故不存在催化剂受侵害 特性下降问题. 该方法除作为可燃性气体敏感器外,还可用于无 机气体浓度测量.热导式广泛用于气体色谱分析.
第二章 §3 电测法气体测量传感器
三、半导体气敏传感器
1.电阻输出型气敏传感器 被测气体及浓度的变化转换成元件电阻值的 变化.目前开发出的产品种类很多,应用最广泛 的是SnO2、Fe2O3及ZnO系列.