欢迎光临深圳市元之恒科技有限公司官网
仪器仪表气体检测安全专家
全国咨询热线:18028784534
当前位置:主页 > 检测仪知识百科 >

气体传感器 气体传感器_信息与通信_工程科技_专业资料

时间:2021-01-16 16:17:15 来源:氧气检测仪 点击:

概 述随着近代工业的进步,特别是石油、化工、煤炭、汽车等工业 部门的迅速发展,使人类的生活以及社会活动都发生了相应的变化。 被人们所利用的和在生活、工业上排放的气体种类、数量都日益增 多。这些气体中,许多都是易燃、易爆(例如氢气、煤矿瓦斯、天 然气、液化石油气等)或者对于人类有毒害的(利用一氧化碳、氟 里昂、氨气等)。它们如果泄露到空气中,就会污染环境、影响生 态平衡、甚至发生爆炸、火灾、中毒等灾害性事故。为了保护人类 赖以生存的自然环境,防止不幸事故的发生,需要对各种有害、可 燃性气体在环境中存在的情况进行有效的监控。气体传感器就是能感知环境中某中气体及其浓度的一种装臵或 者器件。它能将气体种类及其浓度有关的信息转换成电气信号(电 流或者电压)。根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环 境中存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可 以通过接口电路与电子计算机或者微处理机组成自动检测、控制和 报警系统。主要类型的气体传感器如下表所示。气体传感器的分类类 型 原 理 检测对象 特 点半导体式若气体接触到加热的金属氧 化物 (SnO2 、 Fe2O3 、 ZnO2 等 ) ,电 阻值会增大或减小 可燃性气体接触到氧气就会燃 烧,使得作为气敏材料的铂丝温 度升高,电阻值相应增大 利用不同浓度气体产生对 应电信号来检测特定气体的浓度还 原性气体 、城市 排 放气体、丙烷气等灵敏度高,构造与电路简单, 反应快,但高温工作,选择 性差 输出与气体浓度成比例,但 灵敏度较低接触燃烧式燃烧气体电化学 传感器毒 气、 O2 、 血液中 氧 浓度等灵敏度高、气体选择性好, 但价格较高,易受环境影响光干涉式利用与空气的折射率不同而产生 的干涉现象 利用气体不同其热传导率亦不同 的原理,将感受的气体量转换成 可用输出信号的传感器 不同种类或不同浓度的气体对红 外线吸收不同的特性制成与 空气折射 率不同 的 气体汽油报警器,如CO2等 与 空气热传 导率不 同 的气体,如H2等 CO、CO2等寿命长,但选择性差热导式构造简单,但灵敏度低,选 择性差 选择性好,气敏度范围宽;, 但装置大,价格高红外线 吸收式气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在 元 件 表 面 , 往 往 会 使 其 性 能 变 差 。

气体传感器的性能要求: ? 对被测气体具有较高的灵敏度 ? 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 ? 性能稳定,重复性好? 动态特性好,对检测信号响应迅速? 使用寿命长 ? 制造成本低,使用与维护方便等随着科学技术的迅速发展,人民生活水平的不断提高,目前的 气体传感器除了检测易燃、易爆气体之外,还要求在环境保护、节 约能源、保健卫生等方面有所应用。下表列出了气体传感器的一些 应用领域。气体传感器应用示例可燃性气体传感器外形 一氧化碳传感器酒精检测汽车尾气分析58.1 半导体气体传感器定义和分类 半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时, 产 生的电导率等物理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互 作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为 表面控制型和体控制型,前者半导体表面吸附的气体与半导体间发 生电子接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部 化学组成不变;后者半导体与气体的反应,使半导体内部组成发生 变化,而使电导率变化。按照半导体变化的物理特性,又可分为电 阻型和非电阻型,电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体 时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度; 非电阻型半导体气敏 元件是利用其它参数,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电 压变化来检测被测气体的。

下表为半导体气敏元件的分类。 自从60年代研制成功SnO2(氧化锡)半导体气敏元件后,气敏元件 进入了实用阶段。SnO2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料,它 已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和 有害气体的检测。4.2 半导体气敏传感器的特性参数 (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。 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KRa K? RgRa—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(b)气体分离度??RC1 RC 2RC1—气敏元件在浓度为C1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KVVa KV ? VgVa: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二氧化硫报警器,负载电阻的电压输出(3)气敏元件的选择性 在多种气体共存的条件下,气敏元件区分气体种类的能力。(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 t r 表示。(5)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。 (6)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。8.3 表面电阻控制型气敏传感器8.3.1 烧结型SnO2气敏传感器 SnO2 系列气敏传感器有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。

烧结型 SnO2气敏传感器是目前工艺最成熟,使用最广泛的一种气敏传感器。 其是以多孔陶瓷SnO2(平均粒径≤1μm)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。主要用于检测可燃性气体、还 原性气体,其工作温度约200 ℃ -300℃左右。根据加热方式,分为 直热式和旁热式两种。 (1)直热式SnO2气敏传感器(直热式气敏传感器) 直热式气敏器件的结构及符号如下图所示。直热式器件是将加 热丝、 测量丝直接埋入SnO2粉末中烧结而成的,工作时加热 丝通电,测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成 本低、功耗小;但热容量小,易受环境气流的影响,测量回路和加 热回路间没有隔离而相互影响;加热丝热胀冷缩易造成材料的接触 不良;。加热器兼电极 SnO2烧结体 3 4 1 21 23 4(a)结构(b)符号直热式气敏器件结构及符号 (2)旁热式SnO2气敏传感器引线 引线 电极 加热 丝 电极 绝缘 瓷管 (a ) SnO2 烧 结 体 加热 丝 (b ) 测量 电极 加热 丝加热器电阻值一 般为30Ω~40Ω旁热式气敏器件的结构及符号如上图所示,它的特点是将加 热丝放臵在一个陶瓷管内,管外涂梳状金电极作测量极,在金电极 间涂SnO2等材料。

旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺 点,使测量极和加热极分离,而且加热丝不与气敏材料接触,避免 了测量回路和加热回路的相互影响,器件热容量大,降低了环境温 度对器件加热温度的影响,所以这类结构器件的稳定性、可靠性都 较直热式器件好。 8.3.2 表面电阻控制型气敏传感器工作原理 该类 器 件 表 面 电 阻 的变化 , 取决于表面吸附气体与半导体 材料间的电子交换。通常器件工作在空气中,空气中的氧接受来自 半导体材料的电子而成为吸附氧。吸附氧在半导体 表面俘获电子使半导体材料表面电导减小 ,从而使器件处于高 阻状态,即:1 n? O2 ? ne ? Oad 2(1)n? 式中 Oad 表示表面吸附氧,氧束缚材料中的电子,e为电子电荷,n 为若干个数。一旦器件与被测气体接触,就会与吸附氧起反应,将被氧束缚 的n个电子释放出来。如,与H2、CO的情况,敏感膜电导增加,使器 件电阻减小,即:n? Oad ? H 2 ? H 2O ? neO(1)和(2)合并,则:n? ad? CO ? CO2 ? ne(2)1 H ? O ?HO 2 1 CO ? O ? CO 22 2 2 22该类器件通常工作在加热状态( 200 ℃-450℃),目的是为 了加快上述氧化还原反应。

势垒的变化:表面电阻控制型器件的工作原理15该类器件是由多孔质烧结体或多晶体集合而成,晶粒之间存在 着晶粒边界,由于晶界处氧的吸附而形成了电子势垒,电子移动必 须越过这种势垒。如果与被测还原性气体接触,电子势垒随着吸附 氧的减小而降低,因而电子容易移动,器件电阻值变小。 8.3.2 薄厚膜表面控制型气敏传感器 下图为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺,在石英基片上形 成氧化物半导体薄膜(其厚度约在 100nm 以下),制作方法也很简 单。器件的响应和恢复时间受加热温度影响,随着温度升高,响应 半导 体 0.5 mm 电极 和恢复时间变短。电极 (铂丝 ) 氧化 物半导 体3mm0.6 mm绝缘 基片 加热 器 加热 器 电极 3 mm玻璃 (尺寸 约 1 mm ,也有 全为 半导 体的 )薄膜气敏传感器结构SnO2厚膜气敏传感器结构将气敏材料(SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚 膜胶,把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上, 在400℃~800℃的温度下烧结1个~2个小时便制成厚膜型气敏元件。 其一致性好,机械强度高,各传感器间的重复性好,适合于大批 量生产,而且生产工艺简单,成本低。

气体传感器_气体流量的传感器_酒精气体流量的传感器

8.3.3 SnO2气敏传感器基本特性与参数 1、灵敏度特性气敏器件的阻值R与空气中被测气体的浓度C成对数关系变化:lg R ? m lg C ? n式中,n与气体检测灵敏度有关,除了随传感器材料和气体种类不同而 变化外,还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。M 代表器件相对于气体浓度变化的敏感性(也称为气体分离度),对于 可燃性气体,1/3≤m≤1/2。 2、初期稳定特性10秒SnO2气敏传感器初期稳定特性接通SnO2气敏传感器吸附气体时阻值的变化气敏传感器经一定时间不通电放臵后,再通电工作,电阻值达 到 稳 定 时 所 需 要 的 时 间 , 定 义 为 初 期 稳 定 时 间 。SnO2气敏传感器在不通电状态存放一段时间后,再通电时,器 件并不能立即投入正常工作。其阻值在洁净空气中会急剧下降,达 到极小后开始上升,经过一段时间后达到稳定值。如上图。 一般情况下,不通电时间越长,初期稳定时间也越长,当不通电存 放时间达到 15 天左右时,初期稳定时间一般需 5 分钟以上。初期稳 定时间还与器件种类、存放环境及通电功耗有关。当电阻值处于稳定值后,会随被测气体的吸附情况而发生变 化 , 其 电 阻 的 变 化 规 律 视 气 体 的 性 质 而 定 : 1)被测气体是氧化性气体(如O2和NOx),被吸附气体分子从气敏 元件得到电子气体传感器,使N型中载流子电子减少,因而电阻值增大。

半 导体 2)被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精等),气体分子向气敏 元件释放电子,使元件中载流子电子增多,因而电阻值下降。3.初期恢复时间 SnO2气敏您传感器长时间不通电存放,无论在洁净空气中,还 是气体中,都将出现高阻现象,即器件电阻比初始稳定值要高,一 般高20%左右。通电开始达一定时间后,器件电阻才恢复到初始值 并稳定下来。如下图所示。把通电开始时到器件恢复到初始稳定值 的时间,称为初期恢复时间。SnO2气敏传感器初期恢复特性通常直热式气敏传感器初期恢复时间较长,可达30天;旁热式 较短,约为7天。一般在空气中不通电放臵一周时间内,不产生高 阻化现象,也不存在初期恢复时间。如放臵达到 6 个月,初期恢复 时间达到最大值。 4.长期工作稳定性 烧结型 SnO 2 气敏传感器具有较长的工作寿命。下图是直热式 SnO2气敏传感器长期试验结果。 为了确保 SnO 2 气敏 传感器长期稳定可 靠地工作,通常要 做连续 720 小时通 电 老 化 实 验5.温湿度特性SnO2气敏传感器易受环境温湿度影响。所以在使用气敏传感器 时,为了提高仪器和设备的精度和可靠性,在电路中要加温湿补偿。

ZnO气敏传感器也是一种表面电阻控制型气敏器件,工作原理 与SnO2器件相似。但对一般还原性气体,其检测灵敏度要低,工作 温度要高,约在400-450°C。8.3.4 烧结型SnO2气敏元件的制备工艺TGSl09型气敏传感器结构图238.3.5 SnO2 气敏元件材料的添加剂 提高气敏元件灵敏度的添加剂贵金属添加剂的作用实质上是一种催化作用(增敏剂)。如钯、 铂。 提高气体识别能力的添加剂(选择性) 添加稀土金属可以改善元件对某些气体的识别能力。如添加二 氧化钍可以提高气敏元件对CO的识别能力;添加二氧化铈可以改 善元件对烟雾的识别能力。 提高其他特性的添加剂 改善热稳定性,添加三氧化二锑或五氧化二钒; 改善响应特性,添加氧化镁、氧化钙等;248.3.6 ZnO表面电阻控制型气体敏感元件 ZnO是应用最早的一种半导体气敏材料,物理化学性质稳定,禁 带宽度为3.4eV ,熔点为1875℃,粉体呈白色或淡黄色,是一种n 型半导体材料工作温度为400-450℃,比SnO2气敏元件高,因此, 发展没有SnO2快。ZnO薄膜酒敏元件的结构258.3.7 ZnO气体敏感元件工艺焊有引线基筒ZnO+添加剂混合膏剂电极涂覆烧结装加热器涂催化剂烧结初测老化封装测试8.3.8 ZnO气体敏感元件气敏特性在催化剂的作用下,吸附氧阻值 增加,接触还原性气体,电阻值下降。

268.3.9 气体传感器的综合测试装置气体 空气液体试验箱蒸发器风 扇 排气扇浓度检测电压表电 源8.4 体电阻控制型气敏传感器体电阻控制型气敏传感器是以Fe2O3和TiO2为代表的。 体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时 , 引起器件 体电阻改变的原因比较多。对热敏型气敏器件而言 , 在 600 ~ 900 ° C下,在半导体表面吸附可燃性气体时,由于这类器件的工作温度比 较高,被吸附气体燃烧使器件的温度进一步升高 , 因此 ,半导体的体 ? 电阻发生变化。 另外 ,很多氧化物半导体(尤其是容易还原的氧化物半导体), 由于化学计量比的偏离,在比较低的温度下与气体接触时晶体中的 结构缺陷就发生变化,继之体电阻发生变化,因此,可以检测各种气 体。如目前常使用的 ? ? Fe2O3 气敏器件,其结构如下图所示。?? ? Fe2O3 气敏器件结构当它与气体接触时,随着气体浓度增加形成Fe+2离子,而 变成为Fe3O4,使器件的体电阻下降。也就是说,由 ? ? Fe2O3 被还原成Fe O 时形成Fe+2离子。它们之间的还原3 4 氧化反应为:?? ? Fe2O3 ? Fe3O4? ? Fe2O3和Fe3O4都属于尖晶石结构的晶体 , 进行这种转变时 ,晶体结构并不发生变化。

这种转变又是可逆的。当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态。这就是 ? ? Fe2O3 气敏器件的工作原理。 Fe2O3类气敏传感器不用贵金属催化剂,但也要用加热措施 (400—420°C),通常在元件外部由电热丝烘烤。当温度过高(370650°C), γ-Fe2O3将向α -Fe2O3转化,失去气敏性。防止高温下 不可逆相变,加入Al2O3和稀土添加剂(La2O3);严格控制工艺, 使微结构均匀。γ-Fe2O3气敏元件工艺工艺流程测试电路30接触还原性气体后电阻值下 降。典型三氧化二铁气敏特 性如左图所示。图中表明:它 对异丁烷和丙烷很灵敏,适合 探测液化石油气-―城市煤气 传感器”。Fe2O3气敏特性 2、二氧化钛半导体氧敏感元件 金红石结构N型半导体,常温下,很难吸附氧,只有在高温下才 有明显的氧敏特性,通常加入Pt作为催化剂。O ? 2OPt231添加Pt的方式: A直接把铂黑加入二氧化钛粉体中; B 二氧化钛粉体放在氯铂酸和甲醛配置溶液中,然后再烧结。 注:二氧化钛氧敏元件负温度系数,常采用氧化钴和氧化镁制作的 电阻做温度补偿。 TiO2氧敏元件的电阻率与环境中氧分压PO2的关系为? ? ?0eEA KTp (O 2 )1 nEA为活化能,n为材料常数,与材料种类、是否掺杂等因素有关。

8.5 集成薄厚膜及复合型气敏传感器8.5.1 多层薄膜气敏传感器多层薄膜气敏传感器的结构示意图如下图所示。第二层是SnO2 或WO3作为敏感层。选择不同气敏材料作第二层,则有可能实现对 32 气体选择性检测。多层薄膜气敏传感器的结构示意图33表中灵敏度值为器件在3000ppm气体中电导与空气中电导之比。 348.5.2 混合厚膜型气敏传感器 在陶瓷基片上,用印刷技术作 成集成的混合型厚膜而构成的。 测CH4的SnO2膜,测CO的 WO3膜和测C2H5OH的LaNiO3 膜。 优点:可通过不同的敏感膜对 气体进行选择性检测;易实现 器件敏感膜和加热器的集成化; 成本低,易于批量生产。358.6 二极管和MOSFET气体传感器 8.6.1 气敏二极管 一、金属/半导体结型二极管传感器 将金属与半导体结合做成整流二极管,其整流作用来源于金属和 半导体功函数的差异,随着功函数因吸附气体而变化,其整流作用 也随之发生变化。(Pd/CdS, Pd/TiO2,Pt/TiO2) 1、Pd-TiO2结型气敏传感器 该器件在正向偏压下,电流随着 气氛浓度的增加而变大。可以从 一定偏置电压下的电流或产生一 定电流时的偏压来测定气氛的浓 度。

正向电流变小,是因为空气中 氧的吸附使Pd的功函数变大,而 Pd/TiO2界面的肖特基势垒会增高; 当遇到氢气时,吸附的氧就36会消失,Pd的功函数随之降低,因而势垒也降低,正向电流变大。Pd-TiO2结型气敏元件电流电压特性37二、异质结H2S传感器CuO和SnO2粉料均匀混合烧制制成元件,由于CuO 是P型半导体, SnO2是N型半导体,CuO-SnO2元件是异质结PN结器件气体传感器,当元件 暴露在含H2S的气氛中,CuO与 H2S发生反应:CuO ? H 2 S ? CuS ? H 2OP型半导体CuO转变成良导体CuS,元件电阻显著下降。因而这种 传感器对H2S的灵敏度很高。当元件从H2S气氛中回到空气中时, CuS与O2发生反应:(g) 2 2 元件恢复到初始状态,适当选择CuO/SnO2的重量比气体传感器,这种H2S传 感器灵敏度高,功耗低。(g)382CuS ? 3O? 2CuO ? 2 SO8.6.2 MOSFET型气敏元件 MOS管工作原理: 场效应管的基本结构如右图。 当栅极电压UGS

本文由元之恒编辑,转载请注明出处。

在线客服
联系方式

销售直线

18028784534

上班时间

二十四小时

公司电话

0755-29562800

二维码
线