第10章气敏传感器.

第十章 气敏传感器

10.1接触燃烧式气敏元件

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，电阻值相应增大。

一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。

空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。

因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。 实际使用的检测元件：使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。

2. 连接电路

如图10-1，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。

图10-1 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路

工作时，要求在F1和F2上保持100mA ～200mA 的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A 、B 间产生电位差E 。

()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∆++∆+=2110211R R R R R R R R E E F F F F F （式10-1）

因为ΔRF 很小，且RF1•R1=RF2•R2 ，则有

()()F F F F F R R R R R R R R E E ∆⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++=12212110 （式10-2）

如果令 ()()2

12110F F R R R R R E k ++⋅= （式10-3） 则有 F F F R R R k E ∆⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=12 （式10-4）

由此可得，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A 、B 两点间的电位差E ，近似地与ΔRF 成比例。在此，ΔRF 是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。ΔRF 可用下式表示 ：

C Q m C H T R F ⋅⋅=∆=∆⋅=∆αρρρ （式10-5）

ρ—检测元件的电阻温度系数；

ΔT —由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；

ΔH —可燃性气体接触燃烧的发热量；

C —检测元件的热容量；

Q —可燃性气体的燃烧热；

m —可燃性气体的浓度[％(V ol)]；

α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。

ρ，C 和α的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q 是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则：E=k •m •b 其中

⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=C Q b αρ （式10-6）

即A 、B 两点间的电位差与可燃性气体的浓度m 成比例。如果在A 、B 两点间连接电流计或电压计，就可以测得A 、B 间的电位差E

，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。

图10-2 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

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。

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。

图10-3 接触燃烧式气敏元件结构示意图

10.2 金属氧化物半导体气敏元件

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。目前流行的定性模型是：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：

电阻比灵敏度K ：

g a R R K

（式10-7）

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

气体分离度：

21

C C R R =α （式10-8）

RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值；R Ｃ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。

输出电压比灵敏度V K ：

g a

V V V K = （式10-9）

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：

a gi a g gi g

V V V V V V S --=∆∆= （式10-10）

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r t 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H R 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H P 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。