传感器 第9章 气湿敏传感器.doc

第9章 气、湿敏传感器 ? 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。 ? 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。 9.1 气敏传感器 9. ? 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。 ? 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体表面，还是涉及到内部，分为： 表面控制型； 体控制型。 按照半导体变化的物理特性: 电阻式； 非电阻式。 ? 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度； ? 非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。 ? 气敏元件至少都必须具备如下条件： 对气体的敏感现象是可逆的； ② 单位浓度的信号变化量大； ③ 能检测出的下限浓度低； ④ 响应重复特性良好； ⑤ 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感； ⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小； ⑦ 性能长期稳定，结构比较简单。 9.1 ? 这种类型的气敏元件是利用半导体表面因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。 气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物。为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。 1．结构 通常主要由三部分组成： ① 气体敏感元件； ② 对敏感元件进行加热的加热器； ③ 支持上述部件的封装部分。 以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型气敏元件是以多孔质陶瓷为基材(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丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。这种元件主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气。在元件工作时需加热到300℃左右，按其加热方式又可分为直热式和旁热式两种。 直热式 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10一18所示。元件管芯由三部分组成：基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。 图 直热式气敏元件结构不意图及图形行号 a)结构示意图 b)图形符号 直热式元件的优点是：制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用、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，日本弗加罗TGS109型气敏元件就是这种结构。 直热式气敏元件的缺点是，热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。 旁热式气敏元件 结构示意图如图所示。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，在金电极外涂材料。 旁热式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，免了回路间的互相影响；元件热容量大，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。所以，这种结构的元件稳定性、可靠性较直热式有所改进。目前国产QM—N5型气敏元件，日本弗加罗TGS812、813型气敏元件均采用这种结构。 图 旁热式气敏元件结构示意图及图形符号 结构示意图b)图形符号 图9.1 某型号气敏传感器的整体结构 气敏元件有三种结构类型——烧结体型、薄膜型和厚膜型 (a)多孔质烧结体型气敏元件 是把电极和元件加热用的加热器埋入金属氧化物中，添加Al等催化剂和粘结剂，通电加热或加压成型后再低温烧结而成。这类元件的性能一致性较差。 (b)薄膜型气敏元件 这类元件是在绝缘衬底(如石英基片)上蒸发或溅射上一层氧化物半导体薄膜(厚度小于几微米)制成的，其性能受到工艺条件以及薄膜的物理、化学状态的影响，元件间性能差异较大。但由于近期薄膜技术的飞速发展和以微细加工为中心的半导体技术的影响，这类元件性能已有了新的改观。 (c)厚膜型气敏元件 一般是把半导体氧化物粉末、添加剂、粘合剂及载体混合成浆料，再用丝网印刷到基片上制成的，其灵敏度与烧结体型的相当，工艺性、机械强度和性能的一致性都很好。 基本测试电路 烧结型气敏元件基本测试电路如下图所示。图a为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路，图b、c采用交流电压测试旁热式和直热式气敏元件电路。无论哪种电路，都必须包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路。现以下图为例，说明其测试原理。图a中，O～10V直流稳压电源与元件加热器组成加