传感器设计报告10年.docx

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传感器设计报告10年

传感器课程设计

题目：

Mems气体传感器设计和检测技术

姓名：

张虎

学号：

0705010611

院系：

测控技术与通信工程学院

班级：

测控07—6班

教师:

冯乔华

时间：

2010年1月8号

目录

一设计题目……………………………

二题目…………………………….....

*介绍mems…………………………………..……..

*介绍传感器组成…………………………………..

*什么是二氧化锡…………………………………

三设计目的…………………………..

*主要介绍传感器………………………………….........

四设计原理…………………………..

*气敏电阻传感器………………………………………........

*气敏效应原理………………………………………

五用途…………………......................

六电路和参数的设计………………………….

*灵敏性………………………………………………

*选择性…………………………………………….

*工作温度和环境……………………………………

*检测原理……………………………………………

七误差分析………………………….

八气敏传感器的可靠性及保护原理

Mems气体传感器设计和检测技术

一设计题目:

Mems气体传感器设计和检测技术

1.什么是MEMS技术?

MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。

MEMS是微机械（微米/纳米级）与IC集成的微系统，即具有智能的微系统，MEMS基于硅微加工技术但不仅限于它。

简单来说，MEMS就是对系统级芯片的进一步集成。

我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西，像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等，因此MEMS技术是一门多学科交叉的技术。

MEMS器件价格低廉、性能优异、适用于多种应用，将成为影响未来生活的重要技术之一。

2传感器的构成

二目的

研制一种可检测空气中CO、SO2、H2S和NO24种气体浓度的一体化小型多功能有害气体快速检测仪,以适用于公共场所、突发事件及平战时空气卫生的监测。

方法设计的LK-4有害气体检测仪为4通道泵吸式采样,气体传感器检测被测气体产生相应的电信号,信号采集放大后转换为标准信号,逐一送入模数转换电路被中央处理器读取,经程序计算分析后结果在液晶屏上显示,并对检测结果储存和打印。

结果LK24有害气体检测仪主要技术指标:

体积为230mm×80mm×210mm;工作温度为-20～50℃;CO测定范围为0～625.0mg·m23,最低检出限

为0.1mg·m23;SO2测定范围为0～28.0mg·m23,最低检出限为0.1mg·m

23;H2S测定范围为0～40.0mg·m23,最低检出限为0.1mg·m23;NO2测定范围为0～41.0mg·m23,最低检出限0.2mg·m23。

结论LK24有害气体检测仪具有检测结果准确、精密度高、小型便携、一体化组合、检测结果可储存和打印、稳定性好等特点,可对空气中常见有害气体进行快速检测。

三原理介绍

1气敏电阻传感器：

气敏电阻传感器简称气敏电阻，又称气敏元件，有人称其为“电子鼻”。

它的电阻值跟检测气体的浓度（成分）而变化，能将被测气体的浓度（成分）信号转化成相应的电信号。

气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器。

2气敏效应原理：

气敏电阻传感器是由某些非化学配比的金属氧化物半导体材料制成的。

这种材料在一定的工作温度下，当其与某些气体接触时，由于表面吸附某种气体分子发生氧化还原反应而引起电阻率的变化。

具体地说，这种半导体在200°C~400°C下，由于表面吸附空气中的氧，形成氧的负离子，使半导体导带中的电子密度减小，静电电阻值升高到100000Ω左右。

这时，如果遇到能够供给电子的可燃性气体，如氢，一氧化碳，煤气，天然气等类似的气体，原来的吸附的氧又将脱附，放出电子还原，可燃气体以正离子状态吸附在半导体表面，也放出电子，这就是半导体导带中的电子密度增大，电阻值下降。

电阻值下降得程度随环境中气体成分和浓度不同而不一样，根据这种变化可以检测气体的成分和浓度。

3二氧化锡

白色四角晶体,密度7,熔点1127摄氏度.不溶于水，稀酸和碱液.溶于浓硫酸与碱共溶形成锡酸盐.用于制造不透明玻璃,瓷铀和玻璃擦光剂.天然产的是锡石.可由锡可在空气中灼烧而制得.

　　又名氧化锡，式量150.7。

白色，四方、六方或正交晶体，密度为6.95克/厘米3，熔点1630℃，于1800～1900℃升华。

难溶于水、醇、稀酸和碱液。

缓溶于热浓强碱溶液并分解，与强碱共熔可生成锡酸盐。

能溶于浓硫酸或浓盐酸。

用于制锡盐、催化剂、媒染剂，配制涂料，玻璃、搪瓷工业用作抛光剂。

锡在空气中灼烧或将Sn（OH）4加热分解可制得。

　　分子式（Formula）：

SnO2

　　分子量（MolecularWeight）：

150.69

　　CASNo.：

18282-10-5

　　主要用途本产品用作电子元器件生产、搪瓷色料、锡盐制造、大理石及玻璃的磨光剂;制造不透明玻璃、防冻玻璃和高强度玻璃等，还可用于对有害气体的监测。

（SnO2为敏感材料制成的“气——电”转换器。

）

四用途

CO、SO2、H2S、NO2是空气中常见的有害气体,低浓度时可对呼吸系统产生危害,高浓度时,可致人昏迷直至死亡〔123〕。

目前快速检测空气中有害气体多

采用便携式仪器进行检测,该仪器多为进口,价格较昂贵,且多为单个项目的检测。

为快速检测突发事件、公共场所及平战时特殊军事环境中有害气体,我们研制了一种可连续检测空气中CO、SO2、H2S、NO24种气体浓度,对检测结果储存和

打印的一体化小型多功能有害气体快速检仪（LK24有害气体检测仪）,并对检测结果进行了评测。

SnO2薄膜气敏测试系统

五电路和参数的设计

其中包括：

1测量放大电路

2前置电路

3差动电路

4电屏显示电路

5报警电路

6跟随电路

7各种参数数据表

MQ-5气敏元件的结构和外形如图1所示（结构A或B）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

检测电路如图２所示

E.灵敏度特性曲线：

各分支测量电路如下：

七误差分析：

1灵敏度：

传感器输出的变量△y与引起的变化量△x之比即为其静态灵敏度，其表达式为

K=△y/△x

由此可见，传感器输出的曲线的斜率就是其灵敏度。

对于有线性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度K是以常数，与输入量大小无关。

由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。

灵敏度误差用相对误差表示，即

Rs=（△k/k）*100%

2温度及其补偿

温度稳定性又称温度漂移，它是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。

测试时先将传感器置于一定温度（如20°c），将其输出调至零点或某一特性定点，使温度上升或下降一定的度数（如5°c），再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。

温度稳定性误差用温度每变化若干°c的绝对误差或相对误差表示。

每°c引起的传感器误差又称为温度误差系数。

所以一定要控制在固定的温度。

确保在测量时温度尽量不要变化。

气敏电阻温度补偿电路

半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。

当温度和湿度较低时，电阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。

因此，即使气体浓度相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。

常用的温度补偿电路如右图所示，在比较器的反相输入端接入负温度系数的热敏电阻RT。

当温度降低时，气敏电阻值变大，U+变小，而此时RT阻值增大，使比较器的基准电压U－也变小；同理，温度升高时，气敏电阻值变小，U+变大的同时，RT阻值减小，使比较器的基准电压U+增大，从而达到温度补偿的目的。

１．热线性气体传感器NAP-55Ａ／50Ａ

NAP55Ａ对所有可燃性气体都很灵敏，而NAP－50Ａ只对酒精不敏感。

传感器电源电压：

DC2.50Ｖ±0.25Ｖ或AC2.50Ｖ±0.25Ｖ。

电流（在2.5Ｖ供电时）：

160～180ｍＡ。

输出电压：

-35～+35ｍＶ。

工作环境：

温度为-10℃～+50℃，湿度小于95％ＲＨ。

２．催化型不完全燃烧气体传感器NAP-70

NAP70只对一氧化碳和氢气有高灵敏度，对其他气体则是低灵敏度。

电桥电源电压为2.4Ｖ±0.12Ｖ，传感器可以采用交流或直流电压，但从稳定性考虑，应使用稳定的直流电源。

电桥消耗电流为20～40ｍＡ。

NAP-70型传感器提供了足够的输出电压，可以检测出低至几百ppｍ的ＣＯ气体浓度。

另外，使用了一种特殊的催化剂，使传感器对ＣＯ气体在更低的加热温度下获得更高的可能灵敏度。

传感器电源电压：

DC2.40Ｖ±0.12Ｖ或AC2.40Ｖ±0.12Ｖ。

电流（在2.4Ｖ供电时）：

20～40ｍＡ。

工作时的环境：

温度为－10℃～＋50℃，湿度小于95％ＲＨ。

3．热线型气体传感器NAP－11ＡFL

NAP－11ＡＦＬ是一种可以检测火炉或其他烟雾设备中所含的低浓度ＣＯ气体的热线型气体传感器，对低浓度范围的ＣＯ气体具有很高的灵敏度（小于200ppｍ）。

传感器电源电压：

小于15Ｖ（ＤＣ或ＡＣ）。

加热器电压：

在加热时为5.5Ｖ±0.3Ｖ，在正常工作时为0.8Ｖ±0.04Ｖ（ＡＣ或ＤＣ）。

加热器电流：

在加热时（电压为5.5Ｖ）为170ｍＡ～190ｍＡ，在正常工作时（电压为0.8Ｖ）为25ｍＡ～40ｍＡ。

工作时的环境：

温度为－10℃～＋70℃，湿度小于95％ＲＨ。

八气敏传感器的可靠性及保护原理

超额报警电路

半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。

当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。

如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。

当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。

利用这种半导体气敏传感器和相应的电路即可构成超限报警电路。

参考资料