传感器与检测技术课件第七章-气敏、湿度、水份传感器1.ppt

气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器 * 第七章 气敏、湿敏、水分传感器 第一节 气敏传感器 工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中 某些气体的成分、浓度。 例如，煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸； 家庭发生煤气泄露时，将发生悲剧性事件； 农业大棚中CO2浓度不足时，农作物将减产； 锅炉和汽车发动机气缸燃烧过程中氧含量不正确时，效 率将下降，并造成环境污染。 早在20世纪30年代就已发现氧化亚铜的导电率随水蒸汽的 吸附而发生改变。 许多金属氧化物都有气敏效应：SnO2、ZnO、Fe2O3等。 60年代研制成功了SnO2气敏元件。 这些金属氧化物氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导 体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。 半导体气体传感器的分类 半导体传感器的特点： 1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路 2）与所有半导体元件一样，输出特性容易受到温度影响而产生温漂，所以应采用补偿措施。 3）性能参数离散性大。 缺点 1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。 2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。 3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化，智能化。 4）功耗低，安全可靠。 优点 一、气敏元件工作机理 气敏半导瓷材料氧化锡（SnO2） 是N型半导体。它的导电机理可以 用吸附效应解释。 图a）为烧结型N型半导瓷的模型。 这种材料为多晶体，晶粒间有较 高电阻，晶粒内部电阻较低。 a） 一、气敏元件工作机理 Rn为颈部等效电阻 Rb为晶粒的等效体电阻 Rs为晶粒的等效表面电阻 Rb阻值较低不受吸附气体影响 Rn、 Rs受吸附气体所控制 且Rn Rb，RsRb。 故电路等效为图c) a） 半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附 气体的数量和种类而改变。 一、气敏元件工作机理 这类半导瓷气敏电阻工作时都需要加热。 加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表 面自由扩散，期间一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。 氧化型气体 还原型气体 材料的功函数小于吸附分子的离解能，吸附分子 将从材料夺取电子而变成负离子吸附。 O2、氮氧化合物属氧化型气体。 吸附在N型半导体上，将使载流子减少，电阻率增大 材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子 将向材料释放电子而变成正离子吸附。 H2、碳氢化合物属还原型气体。 还原性气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，电阻率下降。 金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应。 一、气敏元件工作机理 图 7-2 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 一、气敏元件工作机理 半导瓷气敏元件与半导体单晶比较： 优点：工艺简单，使用方便，价格便宜，对气体的浓度变化响 应快，即使在低浓度下灵敏度也很高，故可用于制作多种具有 实用价值的气敏元件 缺点：稳定性差，老化快，并需要进一步提高其气体识别的能 力及稳定性。 二、常用气敏元件的种类 按结构可分为： 烧结型 薄膜型 厚膜型 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。 二、常用气敏元件的种类 1.烧结型气敏元件 烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。 二、常用气敏元件的种类 1.烧结型气敏元件 烧结型器件由于烧结不充分，器件机械强度不高，电性能一致性较差，但由于价格便宜，制作方法简单，器件寿命长，目前仍得到广泛应用。 二、常用气敏元件的种类 2.薄膜型气敏元件 制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好 这种薄膜为物理性附着系统， 器件之间的性能差异仍较大。 二、常用气敏元件的种类 3. 厚膜型气敏元件 厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝绝缘基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成 优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。 二、常用气