单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,气敏传感器,气敏传感器,1,13.1,概述,13.1 概述,2,13.1.1,1.产生原因:,为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点,。,2.发展过程:,半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是S,nO,2,薄膜元件。它是利用加热条件下S,nO,2,薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。,继而又发现在SnO,2,烧结体中添加Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。,3.常用的气敏元件:,SnO,2,半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主.,13.1.11.产生原因:,3,13.1.2,SnO,2,半导体气敏元件特点,（1）气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。,（2）SnO,2,材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnO,2,气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。,（3）SnO,2,气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。,（4）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。,（5）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。,13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点（1）气敏元件阻值随,4,13.1.3 SnO,2,的基本性质,1.SnO,2,物理性质:,SnO,2,是一种白色粉末，密度为6.16-7.02g/cm,3,，熔点为1127，在更主温度下才能分解，沸点高于1900的金属气化物。SnO,2,不溶于水，能溶于热强酸和碱。,2.SnO,2,晶体结构:,是金红石型结构，具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离子占据。其晶胞结构如图10-16所示，晶格常数为a=0.475nm，c=0.319nm。,13.1.3 SnO2的基本性质 1.SnO2 物理性质:,5,13.1.4 SnO,2,的气敏效应,1.经实验发现，多晶SnO,2,对多种气体具有气敏特性。2.多孔型SnO,2,半导体材料，其电导率随接触的气体种类而变化。一般吸附还原性气体时电导率升高。而吸附氧化性气体时其电导率降低。这种阻值变化情况如图10-17所示。,13.1.4 SnO2的气敏效应1.经实验发现，多晶SnO2,6,13.1.5影响,SnO,2,气敏效应的主要因素,1）SnO,2,结构组成对气敏效应的影响,SnO,2,具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnO,2,，一般都是偏离化学计量比的，在SnO,2,中有氧空位或锡间隙原子。这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，S,nO,2,中氧空位多，气敏效应明显。,（2）SnO,2,中添加物对气敏效应的影响,实验证明，S,nO,2,中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。,表10-2列出了具有不同添加物质的SnO,2,气敏元件的气敏效应。,（3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响,实验证明，,制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对其气敏性能有明显影响,。因此，利用元件这一特性可进行选择检测。,13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素1）SnO2结构,7,13.1.6,表,10-2,添加物对,SnO,2,气敏效应的影响,添加物质,检测气体,使用温度（）,PdO,Pd,CO，C,3,H,8,酒精,200300,Pd,Pt过渡金属,CO，C,3,H,8,200300,PdCI,2,SbCI,3,CH,4,，C,3,H,8,CO,200300,Sb,2,O,3,TiO,2,TIO,3,250300,V,2,O,5,，Cu,250400,稀土类,酒精系可燃性气体,过渡金属,还原性气体,250300,Sb,2,O,3,Bi,2,O,3,还原性气体,500800,高岭土（陶土），Bi,2,O,3,WO,LPG，CO，城市煤气，酒精,酒精，丙酮,碳氢系还原性气体,200300,8,13.1.6 SnO,2,气敏元件的结构,SnO,2,气敏元件分类:,主要有三种类型：,烧结型、,薄膜型,厚薄型。,其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。,13.1.6 SnO2气敏元件的结构SnO2气敏元件分类:,9,13.1.7烧结型SnO,2,气敏元件结构,烧结型SnO,2,气敏元件是以多孔陶瓷SnO,2,为基材（料粒度在1m以下），添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。,烧结时埋入测量电极和加热线,，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加二层不锈钢网而制成元件。,主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气,。工作时需加热到300左右.,按其加热方式又可分为,直热式和旁热式两种。,13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构烧结型SnO2气敏元件,10,13.1.7,（1）直热式SnO,2,气敏元件,直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18所示。,组成:,元件管芯由三部分组成：SnO,2,基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在SnO,2,基材内。,工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。,13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件直热式元件又称内热式,11,13.1.8,（1）直热式SnO,2,气敏元件特点,1.优点：,制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。,国内QN型和MQ型气敏元件.,2.缺点:,热容量小，易受环境气流的影响；,测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；,加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接触不良。,13.1.8（1）直热式SnO2气敏元件特点1.优点：,12,13.1.9,（2）旁热式SnO,2,敏元件,这种元件的结构示意图如图10-19所示。,其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO,2,材料。,13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件这种元件的结构示意图如,13,13.1.9,（2）旁热式SnO,2,敏元件特点,这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。,目前国产QM-N5型气敏元件，日本弗加罗TGS#812、813型气敏元件采用这种结构。,13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件特点这种结构克服了直热,14,13.1.10 SnO,2,气敏元件的工作原理A,烧结型SnO,2,气敏元件是表面电阻控制型气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质SnO,2,烧结体。在晶体中如果氧不足，将出现两种情况：一是产生氧空位，另一种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况，在禁带靠近导带的地方形成施主能级。这些施主能级上的电子，很容易激发到导带而参与导电。,13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A 烧结型SnO,15,13.1.10 SnO,2,气敏元件的工作原理B,烧结型SnO,2,气敏元件的气敏部分，就是这种N型SnO,2,材料晶粒形成的多孔质烧结体，其结合模型可用图10-20表示。,13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理B烧结型SnO2,16,13.1.10 SnO,2,气敏元件的工作原理C,这种结构的半导体，其晶粒接触界面存在电子势垒，其接触部（或颈部）电阻对元件电阻起支配作用。显然，这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状，亦即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响。,13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C这种结构的半导,17,13.1.10 SnO,2,气敏元件的工作原理C,氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导体表面获得电子，形成受主型表面能级，从而使表面带负电,1/2 O,2,（气）+,n,eOn-吸附 （10-21）,式中On-吸附表示吸附氧；,On-吸附,;e电子电荷；;n个数。,由于氧吸附力很强，因此，SnO,2,气敏元件在空气中放置时，其表面上总是会有吸附氧的，其吸附状态均是负电荷吸附状态。这对N型半导体来说，形成电子势垒，使器件阻值升高。,当SnO,2,气敏元件接触还原性气体如H2、CO等时，被测气体则同吸附氧发生反应，如图10-20c所示，减少了On-吸附密度，降低了势垒高度，从而降低了器件阻值。,在添加增感剂（如pd）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应，提高了器件的灵敏度。增感剂作用如图10-20d所示。,13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C氧吸附在半导体,18,气体传感器-讲解概要课件,19,13.2.1 SnO,2,主要性能参数 A,标志元件性能的主要能数有：,1、电阻R,0,和Rs,固有电阻R,0,表示气敏元件在正常空气条件下（或洁净条件下）的阻值，又称正常电阻。,工作电阻Rs,代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。,2、灵敏度K,气敏元件的灵敏度通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度K。,3、响应时间t,rcs,把从元件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻值的时间，定义为响应时间，用t,rcs,表示。,4、恢复时间t,rcc,把气敏元件从脱离检测气体开始，到期阻值恢得到正常空气中阻值的时间，定义为恢得时间，用t,rcc,表示。,实际上，常用气敏元件从接触或脱离检测气体开始，到其阻值或阻值增量达到某一确定值的时间，例如，气敏元件阻值增量由零变化到稳定增量的63%所需的时间，定义为响应时间和恢复时间。,13.2.1 SnO2主要性能参数 A 标志元件性能的主要,20,13.2.1 SnO,2,主要性能参数 B,5、加热电阻R,H,和加热功率P,H,为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用R,H,表示。气敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用P,H,表示。,6、洁净空气电压U,0,在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，定义为洁净空所中电压，用U,0,表示。U,0,与R,0,的关系为,式中U,C,测试回路电压；,R,L,负载电阻。,13.2.1 SnO2主要性能参数 B5、加热电阻RH 和,21,13.2.1 SnO,2,主要性能参数 C,7、标定气体中电压U,cs,SnO,2,气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的气体中进行测度标定。,把这种气体称标定气体,，例如，QM-N,5,气敏元件用0.1%丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813气敏元件用0.1%甲烷（空气稀释）为标定气体等等。,在标定气体中，气敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用Ucs表示。显然，Ucs与元件工作电阻Rs相关,8、电压比Ku,电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物理意义可按下式表示。,（10-26）,式中，,Uc1,和,UC2,气敏元件在接触浓度为,c,1,和,c,2,的标定气体时负载电阻上电压的稳定值。,13.2.1 SnO2主要性能参数 C7、标定气体中电压U,22,13.2.1 SnO,2,主要性能参数 D,9、回路电压Uc,测试SnO,2,气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用Uc表示。,这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。对旁热式SnO,2,气敏元件，一般取Uc=10V。,13.2.1 SnO2主要性能参数 D9、回路电压Uc,23,13.2.2基本测试电路,烧结型SnO,2,气敏元件基本测试电路如图10-21所示。,图10-21a为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路，,图10-21b、c采用交流电压测试旁热式气敏元件