氣敏傳感器定義與分類

Definitionandclassficationofair-sensitivesensor1.

氣敏傳感器定義和作用2.氣敏傳感器分類4.

氣敏傳感器典型應用和發展3.常見氣敏傳感器1.

氣敏傳感器定義和作用2.氣敏傳感器分類4.氣敏傳感器典型應用和發展3.常見氣敏傳感器1.1氣敏傳感器定義氣敏傳感器是能夠感知環境中某種氣體及其濃度并且將之轉化為電信號的一種敏感器件。圖1氣敏傳感器1.氣敏傳感器定義和作用

1.2氣敏傳感器作用

氣敏傳感器相當于人類的鼻子，可以“嗅”出空氣中某種特定氣體，并且判定氣體的濃度，從而實現對氣體成分的檢測和監控，用來改善人們生活水平，保障人們生命安全。1.氣敏傳感器定義和作用圖2氣敏傳感器作用1.氣敏傳感器定義和作用2.氣敏傳感器分類4.氣敏傳感器典型應用和發展3.常見氣敏傳感器

半導體氣敏傳感器絕緣體氣敏傳感器電化學氣敏傳感器2.1按工作機理分類

電阻型和非電阻型響應快、穩定性好、使用簡單，分N型、P型

接觸燃燒式和電容式

利用鉑金屬絲加熱后與可燃氣體接觸燃燒，改變電阻值恒電位電解式和伽伐尼電池式利用介質的電解質產生電流或電動勢。2.氣敏傳感器分類2.2按應用領域分類爆炸性氣體：液化氣、煤氣、甲烷有毒性氣體：一氧化碳、硫化氫、氨氣、鹵化物環境氣體：氧氣、二氧化碳、水蒸氣、大氣污染工業氣體：一氧化碳、氧氣、水蒸氣乙醇氣體：乙醇2.氣敏傳感器分類1.氣敏傳感器定義和作用2.氣敏傳感器分類4.氣敏傳感器典型應用和發展3.常見氣敏傳感器圖3酒精傳感器圖4酒駕測試、報警器3.常見氣敏傳感器圖6一氧化碳濃度測試器圖5一氧化碳、二氧化碳傳感器圖7二氧化碳濃度測試儀3.常見氣敏傳感器圖10汽車尾氣測試器圖11有毒氣體檢測儀圖8煙霧報警器圖9家用煤氣報警器圖12甲烷檢測儀3.常見氣敏傳感器圖13NH3傳感器圖14其他常見氣敏傳感器3.常見氣敏傳感器1.氣敏傳感器定義和作用2.氣敏傳感器分類4.

氣敏傳感器典型應用和發展3.常見氣敏傳感器

4.1氣敏傳感器典型應用礦井安全環境監測、火災報警工廠生產4.氣敏傳感器典型應用和發展4.2氣敏傳感器發展

1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應研制出了第一個氣敏傳感器；

1982年英國Warwick大學的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統的結構；

現在各國研究主要針對的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環境中的工作時間以及降低成本和智能化等。4.氣敏傳感器典型應用和發展氣敏傳感器及應用技術

Air-sensitivesensoranditsapplicationtechnolegy1.

氣敏傳感器基本結構

氣敏傳感器結構2.

半導體型氣敏傳感器結構3.

接觸燃燒型氣敏傳感器結構4.

電化學氣敏傳感器結構一、氣敏傳感器基本結構圖1氣敏傳感器外觀結構圖2氣敏傳感器電路符號二、半導體型氣敏傳感器結構1.電阻型半導體氣敏傳感器——燒結型

工藝：以多孔質陶瓷如Sn02為基材，添加不同物質采用低溫(700-900℃)進行燒結，燒結時埋入鉑電極和加熱絲，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上制成元件。用途：檢測還原性氣體、可燃性氣體和液體蒸氣；

缺點：由于燒結不充分，器件的機械強度較差，且所用電極材料較貴重，電特性誤差較大。二、半導體型氣敏傳感器結構（1）燒結型直熱式工藝：將加熱絲、測量絲直接埋入Sn02或Zn0等粉末中燒結而成的。原理：工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。特點：制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用。缺點：熱容量小，易受環境氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。二、半導體型氣敏傳感器結構。（2）燒結型旁熱式工藝：將加熱絲放置在一個陶瓷管內，管外涂梳狀金屬電極作測量極，在金屬電極外涂上Sn02等材料。原理：克服了直熱式結構的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響。特點：器件熱容量大，降低了環境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結構器件的穩定性、可靠性都較直熱式器件有所提高。二、半導體型氣敏傳感器結構2.電阻型半導體氣敏傳感器——薄膜型工藝：用蒸發或濺射方法，在石英或陶瓷基片上形成金屬氧化物薄膜（厚度在100nm以下）。特點：敏感膜顆粒很小，因此具有很高的靈敏度和響應速度；低功耗、小型化，以及與集成電路制造技術兼容，是一種很有前途的器件。二、半導體型氣敏傳感器結構3.電阻型半導體氣敏傳感器——厚膜型工藝：將氣敏材料(Sn02或Zn0)與一定比例的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁的基片上，在400-800℃的溫度下燒結1-2小時便制成厚膜型氣敏元件。特點：用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機械強度高，適于批量生產。二、半導體型氣敏傳感器結構4.非電阻型半導體氣敏傳感器原理：利用MOS二極管的電容--電壓特性的變化，以及MOS場效應晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等特性而制成的氣敏元件。特點：此類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。二、半導體型氣敏傳感器結構（1）MOS二極管氣敏傳感器工藝：在P型半導體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50-100nm的Si02層，然后在其上面加入一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極。原理：由于Si02層電容Ca固定不變，而Si和Si02界面電容Cs是外加電壓的函數(其等效電路如圖所示），因此總電容C也是柵偏壓的函數。其函數關系稱為該類MOS二極管的C-U特性。由于鈀對H特別敏感，在鈀吸附了H2以后，鈀的功函數會降低，導致MOS管的C-U特性向負偏壓方向平移，如圖曲線所示。根據這一特性就可測定H2的濃度。二、半導體型氣敏傳感器結構（2）MOS場效應晶體管氣敏傳感器原理：Pd對H2有很強的吸附性，當H2吸附在Pd柵極上時，Pd的功函數會降低。Pd-MOSFET氣敏元件利用此特性檢測H2濃度。三、接觸燃燒型氣敏傳感器結構

接觸燃燒式傳感器由貴金屬細絲線圈、氧化鋁載體、引線、底座及網罩構成。此傳感器在電路結構上可分為對氣體敏感的檢測元件及對氣體不敏感的補償元件兩部分。四、電化學氣敏傳感器結構組成：透氣性隔膜、工作電極、對電極、參照電極和電解質溶液組成的密封結構的合成樹脂容器。原理：工作核心是恒定電位電解式傳感器,它是一種濕式氣體傳感器。電路的功能是加電壓于傳感器電解液中的兩個電極，使所測氣體進行氧化或者還原,測量氣體電解時產生的電流然后推算出氣體的濃度。加在傳感器上的恒定電位稱為給定電位,但由于傳感器的阻抗隨其結構而定，故檢測到氣體并產生電解電流時,給定電位就會發生變化。氣敏傳感器及應用技術

Air-sensitivesensoranditsapplicationtechnolegy1.

氣敏傳感器特性參數2.SnO2氣敏傳感器特性參數3.ZnO氣敏傳感器特性參數

氣敏傳感器特性一、氣敏傳感器特性參數

1、氣敏元件（電阻型）固有電阻值Ra

電阻型氣敏元件在常溫條件下潔凈空氣中的電阻值，一般范圍在103-105歐姆。測量固有電阻值Ra時，應要注意必須在潔凈空氣中測量。2、氣敏元件響應時間tr表征在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸開始計時，直到氣敏元件的電阻值達到在此濃度下的穩定電阻值的63%為止。一、氣敏傳感器特性參數

表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標，表示氣敏元件的電參數與被測氣體濃度之間的依從關系。

3、氣敏元件靈敏度（1）電阻比靈敏度K Ra：氣敏元件固有電阻值 Rg：氣敏元件在規定濃度的被測氣體中的電阻值（2）氣體分離度α Rc1：氣敏元件在濃度c1的被測氣體中的電阻值 Rc2：氣敏元件在濃度c2的被測氣體中的電阻值（3）輸出電壓比靈敏度KV

Va：氣敏元件在潔凈空氣中工作時負載電阻電壓 Vg：氣敏元件在規定濃度被測氣體中工作時負載電阻電壓一、氣敏傳感器特性參數

4、氣敏元件分辨率SVa：氣敏元件在潔凈空氣中工作時負載電阻電壓Vg：氣敏元件在規定濃度的被測氣體中工作時負載電阻電壓Vgi：氣敏元件在i氣體濃度為規定值中工作時負載電阻電壓表征氣敏元件對于被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。一、氣敏傳感器特性參數

5、氣敏元件加熱電阻RH和加熱功率PH加熱電阻RH：為氣敏元件提供必要的工作溫度（>200攝氏度）的加熱電爐的電阻。一般直熱式氣敏元件的加熱電阻小于5歐姆；旁熱式氣敏元件的加熱電阻大于20歐姆。加熱功率PH：氣敏元件正常工作所需加熱電路的功率。一般在0.5瓦到2瓦之間。一、氣敏傳感器特性參數

6、氣敏元件恢復時間trc表征在工作溫度下，被測氣體由該氣敏元件上解吸的響應速度。一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到氣敏元件的電阻值恢復到在潔凈空氣下的穩定電阻值的63%為止。一、氣敏傳感器特性參數

7、氣體濃度對空氣中污染物濃度表示方法：（2）體積濃度表示法一百萬體積的空氣中所含污染物的體積數，即ppm。（1）質量濃度表示法每立方米空氣中所含污染物的質量，即mg/m3。二、SnO2系氣敏傳感器特性參數

1、靈敏度特性SnO2氣敏元件靈敏度特性

SnO2氣敏元件的阻值Rc與空氣中被測氣體的濃度C成對數關系：

logRc=m*logC+n

n：與氣體檢測靈敏度有關，除了隨材料和氣體種類不同而變化之外，還會由于測量溫度和添加劑不同而變化。m：為氣體的分離度，隨氣體濃度變化而變化。對于可燃氣1/3<m<1/2。二、SnO2系氣敏傳感器特性參數

2、穩定性

SnO2氣敏元件的物理、化學穩定性較好，與其它類型氣敏元件（如接觸燃燒式氣敏元件）相比較，SnO2氣敏元件壽命長、耐腐蝕性強。

3、可逆性

SnO2氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短，可連續長時間使用。二、SnO2系氣敏傳感器特性參數

4、元件結構

SnO2氣敏元件結構簡單，成本低，可靠性強，機械性能優良。

5、信號處理SnO2氣敏元件不需要復雜的處理設備，可將待檢測氣體濃度通過直接轉化變成電信號，信號處理電路簡單。二、SnO2系氣敏傳感器特性參數

6、影響SnO2氣敏效應的因素添加物檢測氣體使用溫度（攝氏度）PdO、PdCO、C3H8、酒精200-300PdCI2、SbCl3CO、C3H8、CH4200-300Sb2O3、TiO2、TiO3LPG、CO煤氣、酒精200-300V2O5、Cu酒精、丙酮250-300過渡金屬Sb2O3、Bi2O3還原性氣體250-300500-800高嶺土、Bi2O3、WO碳氫系還原性氣體200-300

（1）SnO2結構組成

SnO2中氧空位多，氣敏效應明顯。

（2）SnO2中添加物

SnO2中添加物對氣敏效應有顯著影響，如下表。二、SnO2系氣敏傳感器特性參數

（3）SnO2燒結溫度和加熱溫度

SnO2氣敏元件燒結溫度和加熱溫度對氣敏特性影響顯著。

（4）環境溫度、濕度影響

環境溫度、濕度對SnO2氣敏元件氣敏特性影響顯著下圖。使用時需要加入溫度、濕度補償。

三、ZnO系氣敏傳感器特性參數1、ZnO氣敏元件對還原性氣體有較高敏感度；2、ZnO氣敏元件工作溫度比SnO2氣敏元件高100攝氏度；3、ZnO氣敏元件也需要加入添加劑，如下圖。氣敏傳感器及應用技術

Air-sensitivesensoranditsapplicationtechnolegy1.

半導體氣敏傳感器氣敏傳感器原理2.

接觸燃燒式氣敏傳感器3.

電化學氣敏傳感器一、半導體氣敏傳感器半導體氣敏傳感器電阻式傳感器非電阻式傳感器半導體傳感器是利用半導體氣敏元件同氣體接觸后，造成半導體性質變化來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度。一、半導體氣敏傳感器

電阻式氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應，導致敏感元件阻值變化來測量氣體。1.電阻式氣敏傳感器按照半導體與氣體相互作用位置不同分類電阻式傳感器燒結型薄膜型厚膜型電阻式傳感器表面控制型體控制型

按照半導體制作類型不同分類一、半導體氣敏傳感器

非電阻式半導體氣敏傳感器是利用氣敏吸附和反應時引起的PN結或場效應管功能參數變化來實現氣體檢測的。非電阻式半導體氣敏傳感器屬于表面控制型傳感器。2.非電阻式氣敏傳感器非電阻式傳感器金屬-半導體結二極管型MOS二極管型MOSFET型非電阻式氣敏傳感器分類：非電阻式氣敏傳感器主要特點：靈敏度高；常用于可燃防爆檢測有毒有害氣體檢測等。一、半導體氣敏傳感器物理特性類型檢測氣體氣敏元件電阻型電阻特性表面控制型可燃氣體二氧化硅、氧化鋅等體控制型酒精、可燃氣體、氧氣氧化鎂、二氧化硅、氧化鈦等非電阻型二極管整流特性表面控制型氫氣、一氧化碳、酒精鉑-硫化鎘、鉑-氧化鈦、金屬-半導體結型二極管晶體管特性氫氣、硫化氫鉑柵、鈀柵MOS場效應管二、接觸燃燒式氣敏傳感器

1.可燃性氣體

將在空氣中達到一定濃度、觸及火種可引起燃燒的氣體稱為可燃性氣體。例如：甲烷、乙炔、甲醇、乙醇、乙醚、一氧化碳、氫氣等。2.接觸燃燒性氣體傳感器分類

直接接觸燃燒式、催化接觸燃燒式

二、接觸燃燒式氣敏傳感器3.接觸燃燒式氣敏傳感器原理

可燃氣體與空氣中的氧氣在通電狀態下的氣敏材料（如Pt電熱絲）上產生無焰接觸燃燒，使得氣敏材料（Pt電熱絲）溫度上高，電阻值增大。

4.應用

石化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監測和報警。三、電化學氣敏傳感器

電化學氣敏傳感器，主要利用兩個電極之間的化學電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。電化學氣敏傳感器恒電位電解式伽伐尼電池式固體電解質式液體電解質式電位型電流型氣體泄漏檢測電路

Gasleakdetectioncircuit1.

氣敏元件基本測量電路2.

家用可燃氣體報警器電路3.

瓦斯檢測電路1.

氣敏元件基本測量電路2.家用可燃氣體報警器電路3.瓦斯檢測電路1.1基本測量電路氣敏元件基本測量電路如圖所示，EH為加熱電源，EC為測量電源氣敏電阻組織變化引起電路中電流變化，輸出電壓（電阻Ro的電壓）隨之變化。在被測氣體低濃度下輸出電壓變化大（靈敏度高），高濃度下趨于穩定值。1.

氣敏傳感器基本測量電路1.2簡單測量電路氣敏元件簡單測量電路如圖所示，R2為氣敏元件電壓獲取電阻，R1、R3和運算放大器A組成輸出放大電路，Uo為與被測氣體濃度相關的輸出電壓。1.

氣敏傳感器基本測量電路氣敏傳感器1.3具有溫度補償的氣敏測量電路

（b）典型帶負溫度補償的氣敏測量電路

（a）簡單帶溫度補償的氣敏測量電路1.

氣敏傳感器基本測量電路氣敏傳感器

剛通電時，熱敏電阻R2溫度低，電阻值小，電流大部分經R2回到變壓器，蜂鳴器BZ不工作；當通電一段時間后（1-2min），R2溫度升高，其電阻急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進入正常工作狀態。（c）圖正溫度補償的氣敏測量電路1.

氣敏傳感器基本測量電路1.氣敏元件基本測量電路2.

家用可燃氣體報警器電路3.瓦斯檢測電路1.1測量電路和原理家用可燃氣體報警器電路和外觀

隨著環境中可燃氣濃度的增加，氣敏傳感器的電阻值下降，流入蜂鳴器的電流升高，當下降到一定值時，蜂鳴器鳴叫報警。2.

家用可燃氣體報警器電路1.2電源電路

一般氣敏傳感器工作電壓不高（3-10V），并且要求工作電壓和加熱電壓穩定，否則將導致加熱器溫度變化過大，使氣敏元件工作點漂移，影響檢測準確性。1.3輔助電路設計時應充分考慮氣敏元件自身特性（溫度系數、濕度系數，初期穩定性等）。采用溫度補償電路，減少氣敏元件的溫度系數引起的誤差；設置延時電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化引起的誤差；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導致漏報現象。2.

家用可燃氣體報警器電路1.氣敏元件基本測量電路2.家用可燃氣體報警器電路3.

瓦斯檢測電路

3.1瓦斯檢測電路組成

瓦斯檢測電路QM-N5為旁熱式氣敏傳感器，和R1、RP組成瓦斯檢測電路；晶閘管VS為無觸點電子開關；LC179、R2和揚聲器組成報警電路。3.瓦斯檢測電路

3.2瓦斯檢測電路工作原理

瓦斯檢測電路當環境瓦斯濃度低于報警值時，QM-N5的A-B間電阻RAB很大，則晶閘管VS因觸發電位低而截至不通，報警電路不工作；當環境瓦斯濃度升提高時，RAB減小，當瓦斯濃度大于報警值時，VS觸發電位迅速升高，使VS導通，LC179的3腳接到電源負極，報警電路開始工作，揚聲器報警，提示瓦斯濃度過高。3.瓦斯檢測電路3.3瓦斯檢測電路的應用

瓦斯檢測電路體積小、能耗低，可以將其裝配在酸性礦工燈上，使普通礦工燈兼具照明和瓦斯報警兩種功能，組成瓦斯報警礦燈。瓦斯檢測電路外觀3.瓦斯檢測電路酒精濃度檢測電路

Thealcoholconcentrationdetectioncircuit1.

酒精濃度檢測儀外觀和應用2.

酒精濃度檢測儀基本原理3.

簡易酒精濃度檢測儀電路4.

防酒后開車控制器1.

酒精濃度檢測儀外觀和應用2.酒