氣敏傳感器（課堂PPT）

1、-1 1-傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)氣體傳感器氣體傳感器任務(wù)一 可燃?xì)怏w檢測(cè)氣敏傳感器的定義：氣敏傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，感器件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)換成電信號(hào)，根據(jù)這些，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。 氣敏傳感器可分為半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器氣敏傳感器可分為半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等和電化學(xué)氣敏傳感器等氣敏傳感器外形氣敏傳感器外形

2、 酒精傳感器酒精傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器應(yīng)用最多。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w半導(dǎo)體氣敏傳感器應(yīng)用最多。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂的氟利昂的檢測(cè)、呼氣檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機(jī)質(zhì)經(jīng)厭氧菌的作用瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機(jī)質(zhì)經(jīng)厭氧菌的作用分解而成。在高溫、高壓的環(huán)境中，在成煤的同時(shí)，由于物理和化學(xué)分解而成。在高溫、高壓的環(huán)境中，在成煤的同時(shí)，由于物理和化學(xué)作用，繼續(xù)生成瓦斯。作用，繼續(xù)生成瓦斯。 瓦斯是

3、無(wú)色、無(wú)味的氣體，但有時(shí)可以聞到類瓦斯是無(wú)色、無(wú)味的氣體，但有時(shí)可以聞到類似蘋(píng)果的香味，這是由于芳香族的碳?xì)錃怏w同瓦斯同時(shí)涌出的緣故。似蘋(píng)果的香味，這是由于芳香族的碳?xì)錃怏w同瓦斯同時(shí)涌出的緣故。瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度是瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度是0.554，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度為，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg/m，瓦斯的滲透能力是空氣的，瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍，難溶于水，不助燃也不倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，達(dá)到一定濃度時(shí)，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒能維持呼吸，達(dá)到一定濃度時(shí)，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒或爆炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的?；虮?/p>

4、炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的。在在標(biāo)準(zhǔn)狀況標(biāo)準(zhǔn)狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。 如如遇明火，即可燃燒，發(fā)生遇明火，即可燃燒，發(fā)生“瓦斯瓦斯”爆炸，直接威脅著爆炸，直接威脅著礦工礦工的生命安全。的生命安全。因此，礦井工作對(duì)因此，礦井工作對(duì)“瓦斯瓦斯”十分重視，除去采取一些必要的安全措施十分重視，除去采取一些必要的安全措施外，有的礦工會(huì)提著一個(gè)裝有外，有的礦工會(huì)提著一個(gè)裝有金絲雀金絲雀的鳥(niǎo)籠下到礦井，把鳥(niǎo)籠掛在工的鳥(niǎo)籠下到礦井，把鳥(niǎo)籠掛在工作區(qū)內(nèi)。原來(lái)，金絲雀對(duì)作區(qū)內(nèi)。原來(lái)，金絲雀對(duì)“瓦斯瓦斯”或其他毒氣特別敏感

5、，只要有非?；蚱渌練馓貏e敏感，只要有非常淡薄的淡薄的“瓦斯瓦斯”產(chǎn)生，對(duì)人體還遠(yuǎn)不能有致命作用時(shí)，金絲雀就已經(jīng)產(chǎn)生，對(duì)人體還遠(yuǎn)不能有致命作用時(shí)，金絲雀就已經(jīng)失去知覺(jué)而昏倒。礦工們察覺(jué)到這種情景后，可立即撤出礦井，避免失去知覺(jué)而昏倒。礦工們察覺(jué)到這種情景后，可立即撤出礦井，避免傷亡事故的發(fā)生傷亡事故的發(fā)生半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理（半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理（P42P42）半導(dǎo)體式氣敏傳感器： 利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者濃度半導(dǎo)體式氣敏傳感器可分為電阻式和非電阻式(電阻式和非電阻式的原理需了解電阻式

6、和非電阻式的原理需了解)半導(dǎo)體式氣敏傳感器 電阻式 燒結(jié)型 薄膜型 厚膜型 二極管氣敏傳感器 MOS二極管氣敏傳感器 Pd（鉑）MOSFET氣敏傳感器 非電阻式 參考書(shū)上圖片理解 SnOSnO2 2系列氣敏元件有系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型燒結(jié)型、薄膜型和和厚膜型厚膜型三種。燒結(jié)型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小( (平均粒徑平均粒徑m)m)的的SnOSnO2 2粉粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測(cè)。主要用于檢測(cè)可燃的還原性可燃的還原性氣體，其工作溫度約氣體

7、，其工作溫度約300300。根據(jù)根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。（1）直接加熱式）直接加熱式SnO2氣敏元件氣敏元件(直熱式氣敏元件直熱式氣敏元件)直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào)由芯片由芯片( (敏感體和加熱器敏感體和加熱器) )，基座，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與熱器與SnOSnO2 2基體間由于熱膨脹系基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不

8、良，數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。元件的失效，現(xiàn)已很少使用。 2 2、電阻式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)、電阻式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（2）旁熱式）旁熱式SnO2氣敏元件氣敏元件加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào) 是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。舉個(gè)例子 當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)當(dāng)氧化型氣體吸附到氧

9、化型氣體吸附到N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（SnOSnO2 2, ZnO), ZnO)上，上，還原型氣體還原型氣體吸附到吸附到P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(CrO(CrO3 3) )上時(shí)，將上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。使電阻值增大。當(dāng)當(dāng)還原型氣體吸附到還原型氣體吸附到N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體上，上，氧化型氣體吸附到氧化型氣體吸附到P P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體上體上時(shí)，則載流子增多，使時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降半導(dǎo)體電阻值下降。3、基本原理、基本原理H2+CuO = H2O + CuN型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖 100550加熱開(kāi)關(guān)大氣中2 min 4 min吸氣

10、時(shí)還原型氧化型穩(wěn)定狀態(tài)器件加熱響應(yīng)時(shí)間約1 min以內(nèi)器件電阻 / k P型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖 規(guī)則總結(jié)：氧化型氣體N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加 N型半導(dǎo)體，又稱電子型半導(dǎo)體；P型半導(dǎo)體又稱空穴型半導(dǎo)體。 氣敏電阻式傳感器基本測(cè)量電路如下圖所示。測(cè)量電路包括加熱回路和測(cè)試回路兩部分。 (a)QMN5測(cè)量電路； (b)TGS812測(cè)量電路； (c)TGS109測(cè)量電路4 4、基本測(cè)量電路、基本測(cè)量電路家庭用煤氣報(bào)警器家庭用煤氣報(bào)警器家庭用液化氣報(bào)警

11、器家庭用液化氣報(bào)警器一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器NH3傳感器傳感器甲烷傳感器甲烷傳感器舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè) 二氧化鈦氧濃度傳感器的工作原理：二氧化鈦氧濃度傳感器的工作原理：半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周?chē)h(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周?chē)鯕鉂舛容^大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)3. 氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè)氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè) T

12、iO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)TiO2氧濃度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1外殼（接地）2安裝螺栓 3搭鐵線4保護(hù)管 5補(bǔ)償電阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏電阻 8進(jìn)氣口 9引腳 一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)3. 氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè)氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè) 氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖中，二氧化鈦氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時(shí)，RTiO2的阻值減小，Uo增大。 在測(cè)量轉(zhuǎn)換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt 起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，TiOTiO2 2氣敏

13、電阻的氣敏電阻的阻值會(huì)逐漸減小，只要阻值會(huì)逐漸減小，只要R Rt t也以同樣的比例減小，也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測(cè)量誤差。 一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)3. 氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè)氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè)舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè) 二氧化鈦氧濃度傳感器可用于汽車(chē)或燃燒爐排放氣體中的氧濃度測(cè)量。汽車(chē)尾氣分析一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù) 氣敏半導(dǎo)體的靈敏度特性曲線氣敏半導(dǎo)體的靈敏度特性曲線 觀察右圖看說(shuō)明非觀察右圖看說(shuō)明非線性特性對(duì)濃度超線性特性對(duì)濃度超限報(bào)警是否

14、有利？限報(bào)警是否有利？4. 氣體檢測(cè)系統(tǒng)的組成氣體檢測(cè)系統(tǒng)的組成 思考題：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)已介紹的氣體傳感器的基本檢測(cè)電路和電子線路設(shè)計(jì)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)5. 氣體檢測(cè)使用注意事項(xiàng)氣體檢測(cè)使用注意事項(xiàng)1 1）氣敏電阻使用時(shí)一定要加熱）氣敏電阻使用時(shí)一定要加熱 一般由變壓器二次繞組交流輸出或直流電壓提供低電壓加熱。加熱溫度對(duì)氣敏電阻的特性影響很大，因此加熱器的加熱電壓必須恒定。 如前所述，MQN型氣敏傳感器使用時(shí)氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200300，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過(guò)程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。一

15、、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)5. 氣體檢測(cè)使用注意事項(xiàng)氣體檢測(cè)使用注意事項(xiàng)2 2）溫度補(bǔ)償）溫度補(bǔ)償 半導(dǎo)體氣敏電阻在氣體中的電阻值與溫度和濕度有關(guān)。當(dāng)溫度和濕度較低時(shí)，電阻值較大；溫度和濕度較高時(shí)，電阻值較小。因此，即使氣體濃度相同，電阻值也會(huì)不同，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 如前所述，TiO2氧濃度傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt 起溫度補(bǔ)償作用。一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)溫度補(bǔ)償中實(shí)用的熱敏電阻工作原理半導(dǎo)體熱敏電阻簡(jiǎn)稱熱敏電阻，是一種新型的半導(dǎo)測(cè)溫元件。 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫

16、的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在-100300之間測(cè)溫。應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)MF12型型 NTC熱敏熱敏電阻電阻聚脂塑料封聚脂塑料封裝熱敏電阻裝熱敏電阻二、油煙檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)玻璃封裝玻璃封裝 NTC熱敏熱敏電阻電阻大功率大功率PTC熱敏電阻熱敏電阻二、油煙檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)貼片式NTC熱敏電阻非標(biāo)熱敏電阻非標(biāo)熱敏電阻二、油煙檢測(cè)原理應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)MQ-2 MQ-2 可燃?xì)怏w、煙霧可燃?xì)怏w、煙霧 MQ-4 MQ-4 天然氣、甲烷天然氣、甲烷 MQ-5 MQ-5 液化氣、甲烷

17、、煤制氣液化氣、甲烷、煤制氣MQ-6 MQ-6 液化氣、異丁烷、丙烷液化氣、異丁烷、丙烷 MQ-8 MQ-8 氫氣、煤制氣氫氣、煤制氣 MQ-7 MQ-7 一氧化碳一氧化碳COCOMQ-9 MQ-9 一氧化碳、可燃?xì)怏w一氧化碳、可燃?xì)怏wMQ-3 MQ-3 酒精（乙醇）酒精（乙醇）MQ213 MQ213 酒精酒精MP-4 MP-4 天然氣天然氣 MP-6 MP-6 液化氣液化氣 MP-7 MP-7 一氧化碳一氧化碳MP-8 MP-8 氫氣氫氣 三、可燃?xì)怏w及油煙檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)1. 1. 可燃?xì)怏w檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)MQ-2型氣敏元件對(duì)不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，請(qǐng)根據(jù)已學(xué)的氣體傳

18、感器和電子線路的有關(guān)知識(shí)對(duì)如下圖所示煤氣檢測(cè)電路進(jìn)行分析：煤氣檢測(cè)電路應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)2. 2. 油煙蒸汽檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)油煙蒸汽檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)對(duì)油煙蒸氣的檢測(cè)選用熱敏電對(duì)油煙蒸氣的檢測(cè)選用熱敏電阻，本設(shè)計(jì)選用阻，本設(shè)計(jì)選用NTCNTC負(fù)溫度系負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻數(shù)熱敏電阻NTCMF5ANTCMF5A，請(qǐng)根據(jù)，請(qǐng)根據(jù)已學(xué)的溫度傳感器和電子線路已學(xué)的溫度傳感器和電子線路的有關(guān)知識(shí)對(duì)如右圖所示煤氣的有關(guān)知識(shí)對(duì)如右圖所示煤氣檢測(cè)電路進(jìn)行分析。檢測(cè)電路進(jìn)行分析。油煙檢測(cè)電路三、可燃?xì)怏w及油煙檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用電子學(xué)院 傳感器技術(shù)簡(jiǎn)易酒精測(cè)試器 采用采用TGS812型酒精傳感器，對(duì)酒精有較高的靈敏度（對(duì)一氧化碳也型酒精傳感器，對(duì)酒精有較高的靈敏度（對(duì)一氧化碳也敏感）敏感） .其加熱及工作電壓都是其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約，加熱電流約125mA。 傳感器的