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第9章
半导体式传感器9.1气敏传感器9.2湿敏传感器9.3磁敏传感器9.4色敏传感器9.5半导体式传感器的应用9.1气敏传感器气敏传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件,它可将检测到的气体成分和浓度转换成电信号,人们根据这些电信号的强弱就可以获得被测气体在环境中存在情况的有关信息,从而可以进行检测、监控、报警。半导体气敏传感器的分类:(1)按照半导体变化的物理性质,又可分为:电阻型半导体气敏元件: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:利用其它参数的变化来检测气体的,如二极管的伏安特性。(2)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:表面控制型气敏电阻体控制型气敏电阻9.1.1表面控制型气敏电阻利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件阻值变化的特性制成的。大多用以检测可燃性气体,但是如果气敏电阻的吸附能力很强,也可检测非可燃性气体。优点:检测灵敏度高,响应速度快,开发研究的最早。分类:按制造工艺分:烧结型、薄膜型、厚膜型、多层结构型按加热方式分:直热式和旁热式。直热式直热式元件又称内热式,元件管芯由三部分组成:SnO2基体材料、加热丝、测量丝,它们都埋在SnO2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。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。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。旁热式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SnO2材料。特点: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。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。气敏元件在空气中阻值大致保持不变,如果被测气体流入这种气氛中,元件表面将会产生吸附作用,元件的阻值将随气体的浓度而变化,从阻值与浓度的关系上就可知被测气体的浓度的大小。如果被测气体是氧化性气体(如O2、NOx),被吸附气体分子从气敏元件得到电子,使N型半导体中载流子电子减少,因而电阻值增大。注意:当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上,将使载流子浓度减少,电阻增大。当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上,载流子浓度增加,电阻减少。主要特性灵敏度特性表示了不同气体浓度下气敏元件的阻值。在SnO2中添加一些元素,如Pt(铂)或Pd(钯),会提高其灵敏度和对气体的选择性。主要特性电阻-温湿度特性注意:气敏元件在不通电状态下存放一段时间后,在使用之前必须经过一段电老化过程。因为在这段时间内,器件阻值要发生突然变化后才趋向于稳定,经过长时间存放的元件,在标定之前,一般需要1~2周的电老化时间。测量电路RL为负载电阻兼作电压取样电阻,Rs为气敏器件电阻,从测量回路可得到回路电流Ic为9.1.2体控制型气敏元件体控制型气敏元件与气体相互作用时,会引起半导体体内的结构组成发生变化,从而导致气敏元件的阻值发生变化。常用的体控制型气敏元件有:MQN型气敏电阻、Fe2O3气敏传感器:属于多孔质烧结体传感器,主要用来检测甲烷和丙烷等气体。TiO2氧浓度传感器:属于N型半导体,对氧气十分敏感,周围环境的氧气浓度增大时,半导体的电阻值增大。MQN型气敏电阻结构及测量电路气敏电阻外形酒精传感器酒精测试仪呼气管酒精传感器的选择性一氧化碳传感器家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器二氧化钛氧浓度传感器TiO2氧浓度传感器结构当氧气含量减小时,RTiO2的阻值减小,Uo增大。TiO2氧浓度传感器受外界环境温度的影响大,当温度升高时,气敏电阻的阻值会减小。氧浓度传感器外形汽车尾气分析有毒气体传感器的使用9.2湿敏传感器湿度——空气或其它气体中的水分含量。湿敏元件能感受外界湿度的变化,并通过元件材料的物理或化学性质变化,将湿度转换为可用电信号。湿敏传感器的原理:水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部,引起半导体的电阻值降低,因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏传感器。湿度对电子元件的影响当环境的相对湿度增大时,物体表面就会附着一层水膜,并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度,还
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