气敏传感器汇总

气敏传感器

第八章气敏

接触燃烧式气敏元件

金属氧化物 1,检测原理

可燃性气体(H2,CO,CH4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),使得作为敏感材料的铂丝温度升高, 2,接触燃烧式气敏元件的结构

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.除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝,氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用.另外,作为补偿元件的铂线圈,其尺寸,阻值均应与检测元件相同.并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已.

触媒

Al2O3载体

Pt丝

元件

(0.8-2)mm

(b)敏感元件外形图

接触燃烧式气敏元件结构示意图

(a)元件的内部示意图

二,半导体气体传感器

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.目前流行的定性模型是:原子价 (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

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中的电阻值

(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.

(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

(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. (7)初期稳定时间

长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化,在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象.因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间.一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定.由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间.初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数.存放时间越长,其初期稳定时间也越长.在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值.

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)

内热式气敏器件结构及符号

1

2

3

4

SnO2烧结体

加热极兼电极

(a)结构

4

3

2

1

(b)符号

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

加热器电阻值一

般为30Ω～40Ω

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

1

2

3

4

5

6

(a)结构

(b)符号

7

100目不锈钢网

18.4

1

23

1

2

3

4

5

6

7

45°

45°

气敏元件外形和引出线分布

三,氧化锆氧气传感器

固体电解质是具有离子导电性能的固体物质.一般认为,固体物质(金属或半导体)中,作为载流子传导电流的是正,负离子.可是,在固体电解质中,作为载流子传导电流的,却主要是离子.二氧化锆(ZrO2)在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性.