第七章 气敏传感器(应加快离子导体).pptx

12.1 气敏传感器  12.2 湿敏传感器;第12章 半导体传感器;定义：是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。检测气体中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等），将其变换成电信号输出。 应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。 基本要求：1、对被测气体有高的灵敏度。 2、气体选择性好。 3、能够长期稳定工作。 4、响应速度快。 ;一、 气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物, 在合成材料时, 通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成, 金属氧化物半导体分N型半导体, 如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体, 如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度, 合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。 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，其导电率随气体的吸附而发生改变。;通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。  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。 ; 例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100~300℃范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。  ;氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图所示。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。; 因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻??一对电极。 ;二、 电阻型气敏器件 气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。  （1） 烧结型 将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中, 经加热成型后低温烧结而成。 目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。  ;内热式气敏器件结构;（2）薄膜型 在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制成（厚度0.1 μm以下） 。上下为输出电极和加热电极，中间为加热器。;（3）厚膜型  将金属氧化物粉末、添加剂粘合剂等混合配成浆料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。 灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜气敏元件较好。;;工作原理 利用半导体材料与气体相接触时，材料电阻发生变化的效应来检测气体的成分或浓度。 气敏元件多采用SnO2、ZnO等。;SnO2、ZnO属于N型半导体，工作时加热。元件加热到稳定状态时，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元件表面自由扩散，一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。 当吸附还原性气体时，半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附。载流子数增加，半导体电阻率减少阻值降低。 当吸附氧化性气体时，半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附。半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大。;;吸附分子与半导体相互争夺电子。 工作温度在200~400℃范围内吸附效果较好，电导率变化较大。 注1：加热器的作用 （1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。 （2）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵敏度及响应速度。 注2：检测不同气体，加热温度及添加物质不同，目的是使传感器对不同气体有选择性。;三、 气敏传感器的应用 1、 实用酒精测试仪 测试驾驶员醉酒的程度 。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时, 加在A5脚的电平为低电平; 当气体传感器探测到酒精时, 其内阻变低, 从而使A5脚电平变高。 A为显示驱动器, 它共有10个输出端, 每个输出端可以驱动一个发光二极管, 显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数, 酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管