传感器原理及工程应用——气敏传感器原理及应用

传感器原理及工程应用

题目：气敏传感器

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摘要

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，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。

一、气敏传感器工作原理

气体传感器的测试原理如图1所示。将气体传感器RS和固定采样电阻R1

进行串联分压,测得总回路电压Ui、采集R1两端电压Uo,并通过公式RS=(Ui/Uo-1)*R1

就可以计算出气体传感器的电阻值。当气体传

感器检测不同浓度的待测气体时,其电阻值会

发生一定的变化,通过动态检测这一变化,就可

以获得响应时间、恢复时间、感应前后的电阻

值、灵敏度等参数。其中,RH是加热电阻。

二、所用到的气敏元件

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。

1、半导体气敏元件的特性参数

（1）气敏元件的电阻值

将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ra。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。

测定固有电阻值Ra时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。

（2）气敏元件的灵敏度

是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种

（a）电阻比灵敏度K

（b）气体分离度

RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：

RC2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1>C2

（c）输出电压比灵敏度KV

Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；

Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出

（3）气敏元件的分辨率

表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。

气敏元件分辨率S表示为

Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压

Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压

（4）气敏元件的响应时间

表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63%时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。

（5）气敏元件的加热电阻和加热功率

气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用PH表示。一般在(0.5～2.0)W范围。

（6）气敏元件的恢复时间

表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63%时所需时间。

2、烧结型SnO2气敏元件

SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤1μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。

（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)

由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。

（2）旁热式SnO2气敏元件

旁热式气敏器件结构及符号

三、气敏传感器的分类

由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化；

灵敏度高，动态性能好，输出为电量；

采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化，智能化；

功耗低，安全可靠。同时，半导体传感器也存在以下一些缺点：

线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路；

与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施；

性能参数离散性大。

虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。

从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器，如，霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。有些内容与其他传感器互相交叉，已在其它章中介绍。本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体式传感器。

1. Electrochemical（toxic）检测有毒气体

电化学式传感器，用于检测有毒气体。电化学式包括定电位电解式和伽伐尼电池式氧气传感器。这里主要指的是定电位电解式传感器。

2.Catalytic combustion or Infrared 检测可燃气体

催化燃烧式传感器或红外式传感器。这两种传感器主要用于检测可燃气体。

3.Diffusion fuel cell 检测氧气

扩散燃烧单元（燃料电池）。即通常所说的伽伐尼电池式氧气传感器。用于氧气的检测。

四、气敏传感器的应用

气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、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。由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大