气敏传感器

200
100
0
t(℃)
100 200 300 400 500 600
图2.4.1 气敏电阻灵敏度与温度的关系 34
3.3.2 常用的气敏电阻
气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种， 直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。 旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封 压双层的不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面 较广。
3.3.3.1 MQ-N5型气敏元件
1) 原理 QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材 料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导 率随气体浓度的增加而迅速升高。
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2) 特点 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）； 灵敏度高；响应速度快；输出信号大；寿命长，工作稳定可 靠。
图2-24 MQN型气敏电阻结构及测量电路
功能：可用 于可燃性气 体的检测、 检漏
适用范围： 可燃性气体和可燃 性液体蒸汽（天然 气、液化石油气、 煤气、一氧化碳、 烷烃、烯烃、醇类、 汽油、煤气）及烟 雾。
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MQN 型 气 敏 半 导 体 器 件 是 由 塑 料 底 座 、 电 极 引 线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的 两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图 中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。
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测量露点的仪器
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露点传感器外形
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电子湿度计模块
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封装后 的外形
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电子式温湿度计
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机械式、电子式温湿度计对比
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陶瓷湿度传感器特性曲线
在右图所 示的陶瓷湿度 传感器特性曲 线中，纵坐标 的标度有何特 点？
目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加 热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内； 另一种是旁热式，这种气敏元件以陶瓷管为基底，管 内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金 属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。
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以SnO2气敏元件为例，它是由0.1--10的晶体集合而成，这种 晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下，是处于氧离 子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性 气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流 子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的 晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减 小。 气敏电阻的温度特性如图2.4.1所示，图中纵坐标为灵敏度， 即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。由 曲线可以看出，
3.3.2.1 氧化锌系气敏电阻
ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较 广泛的气敏器件。通过掺杂而获得不同气体的选择性， 如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏 度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高 的灵敏度。这种气敏元件的结构特点是：在圆形基板
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上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。 例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现 呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L
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甲醛传感器CH2O/S-10: 测量范围 : 0- 10 ppm(百万分之一 ) 最大负荷 : 50ppm 工作寿命 : 空气中3年
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3.2 湿敏电阻传感器
绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每 一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。
相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温 度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用 来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时， 称饱和状态。
时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。 利用SnO2 金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺 杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适 当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结 型CO敏感元件，能 够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
3.3.2.2 氧化铁系气敏电阻
N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随 气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材 料，属于 N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的 氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。
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当遇到有能供给电子的可燃气 体（如CO等）时， 原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附 在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行 气体以正离子状态吸附也要放出电子， 从而使氧化 物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气 体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负 离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半 导 体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
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气敏来自百度文库阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
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酒精传感器的选择性
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气敏半导体的灵敏度特性曲线
观察右图， 看一下能否说明 非线性特性对浓 度超限报警是否 有利？
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家庭用煤气报警器
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家庭用液化气 报警器
第三章 3.1 气敏电阻传感器
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， 再转换为电流、电压信号。
气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和 测量氧气浓度的两大类。
一、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。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO 或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活 剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。
当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用，其 电阻串迅速降低。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。
3.3.2.3 型号命名方式
气敏电阻器的型号命名由三部分组成。
第一部分用字母表示主称。第二部分用字母表示用途或特征。
第202三0/8部/14 分用数字表示产品序号。 具体表示略。
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3.3 气敏电阻
在现代社会的生产和生活中，人们往往会 接触到各种各样的气体，需要对它们进行检 测和控制。比如化工生产中气体成分的检测 与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境 污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃 烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器 就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换 为电信号的传感器。
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一氧化碳传感器
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其他气体传感器 甲烷传感器
NH3传感器
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二、二氧化钛氧浓度传感器图3-26
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路
a）结构
b）测量转换电路
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。
在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温 度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的 阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根 据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。
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图3-26 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路
a）结构 b）测量转换电路
湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解
质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体
内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利
用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏
电阻。
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湿度传感器的分类
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水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害
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湿度对电子元件的影响
气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的 是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏 电阻表面的污物（起清洁作用）。
a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路
1—引脚 2—塑料底座 3—烧结体 4—不锈钢网罩 5—加热电极 6—工作电极 7—加热回路电源 8—测量回路电源
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其电阻率 变化约有多少 个数量级？
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电子相对湿度仪表的标定仪器 干球
湿球
干湿球湿度计外形及原理
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用干湿球湿度计测量相对湿度
风
玻璃酒精 温度计
棉球 水槽
上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉 球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸 发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低 于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对 湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在 还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。
当环境的相对湿度增大时，物体表面就 会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅 降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短 路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引 起有机材料的霉烂。
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露点
降低温度 会产生结露现 象。露点与农 作物的生长有 很大关系，结 露也严重影响 电子仪器的正 常工作，必须 予以注意。
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二、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。 图3-26是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度
传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻 与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气 含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。
3) 性能指标 具体指标略
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3.3.1 气敏电阻的工作原理及其特性
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用 气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化 这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物 半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、 BaTiO3等都具有气敏效应。
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气 敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传 感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯 等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持 300℃～400℃的高温 ， 此时若与可燃性气体接触 ，
3.3.3 气敏电阻的应用
气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油 气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报 警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、 CO2等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精 浓度探测等方面。
气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵 敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中 电压，负载电阻值等。下面是两类典型气敏电阻的基本情况：
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可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的 温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻 值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传 感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输 出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流，也可以是 离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具 有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用 极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。
1－外壳（接地）2－安装螺栓 3－搭铁线 4－保护管
5—补偿电阻 6－陶瓷片 7－TiO2氧敏电阻 8－进气口
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氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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汽车尾气分析
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有毒气体传感器的使用
伊拉克战争中美国士兵就配备了一个可探测有毒 气体的传感器(工作时间仅为20多秒)
U(mV)
SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变 500 化不大。但当温度增加后，电导率就发生较 400 大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。300
此外，在气敏元件的材料中加入微量的 铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催 化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对 气体种类的选择性。
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