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1、图11-3接触燃烧式气敏传感器（a）结构；（b）测量电路；（c）气敏特性；Fi敏感元件；F2补偿元件将铂（Pt）等贵金属线圈埋设在氧化催化剂中少结而成。铂（ Pt ）等贵金属丝通电（100200mA ）保持300600C高温，与可燃性气体接触产生氧化反应发热（无焰接触燃 烧热），使敏感材料（铂丝等）温度升高，电阻增大， R T= ：H/h=心 v/h,式中，二为金属丝敏感材料的电阻温度系数； H为可燃性气体的燃烧热； 二为可燃性气体的分子燃烧热；为金属丝敏感元件上涂覆的催化剂所决定的常数； h为金属丝敏感元件的热容量。2.测量电路直流电桥电路，工作电流 100200mA。3.应用：检测可燃性气

2、体。11 . 3半导体气体传感器11. 3. 1半导体气体传感器及其分类原理：金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触，由于气体的吸附，引起材料 电学性能的变化，以此检测特定气体及其浓度。分类：电阻型：表面控制型；体控制型；非电阻型：二极管整流特性型；晶体管特性型； （都属于表面控制）表11-2 （见教材）11. 3. 2 主要特性及其改善1气体选择性及其改善气体选择性：对不同气体的敏感特性。改善方法：掺杂（氧化物或添加物） ；控制气敏元件的烧结温度； 改善气敏元件工作时的加热温度。2气体浓度特性气体传感器的输出量与被测气体浓度之间的关系，这是气体传感器的基本特性。3，初始稳定、气敏响应和复

3、原特性任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被测气体的吸、脱作用，加热温度一般为 200400 C。图11-4是气敏传感器的外形及其基本测量电路。图11-4 气敏传感器的外形图及其基本测量电路N型半导体吸附气 体时器件阻值变化o O o S5 炖关 加开11-5初始稳定：加热 稳定电阻输出特性（过渡时间和稳定电阻值） ；气敏响应：气敏元件接触被测气体 电阻值变化（过渡过程的时间） ；复原性：测试结束 一电阻值复原到洁净空气中保存状态的固有电阻值 （Ra=103105门）的时间。4.灵敏度的提高与稳定性改善添加金属或金属氧化物材料的催化作用来提高

4、灵敏度。添加“融剂”和“缓融剂”，控制气敏材料的烧制过程，可以改善其稳定性。5.温度、湿度的影响及其它问题环境温、湿度对气敏元件的气敏特性有影响（见图 11-7）,气敏元件的加热丝电压决定元件的工作电流，也会影响元件的气敏特性。一-12（-1%1rpHr-J）J0340周国气律濫度（X）图11-7 SnO2气敏元件的温、湿度特性2 1511. 3. 3电阻式半导体气体传感器（气敏电阻）气体成分、浓度一电阻11. 3. 3. 1表面控制型气敏电阻利用半导体材料表面吸附气体引起气敏元件电阻值变化的特性制成。主要用于检测可 燃性气体。半导体材料多数采用 SnO2和ZnO等难还原的氧化物。La.fln

5、irnT 墜媒忖底i SiErim 屯悽鼻灯桂把址書（d4 e ID 20 40 6Q lOQ _6 -4-1 * 0 o O图11-8半导体气敏元件结构（a）烧结体元件；（b）薄膜元件；（c）厚膜元件；（d）多层结构元件1结构和电阻特性侈孔质烧结体敏感元件; 肅膜敏感元件；厚膜敏感元件；多层结构敏感元件。电阻特性：如图11-8所示，logR=mlogC+n式中，C为被测气体浓度；m、n均为常数，n与气体检测灵敏度有关， m为气体浓度灵敏度，对可燃性气体 m=1/31/2。2传感器类型（1）氧化锡类气体传感器Sn02是典型的N型半导体，最佳气敏材料，检测气体主要有， CH4、C3H8、CO、出

6、、C2H5OH、H2S等可燃性气体和 NOx、酒精等。检测灵敏度如图 11-10所示。rK &66400 100 100 30Q 400 IDO 200 300 4Q0 QQ 2QO 加0m心图11-10 SnO2气敏元件（添加 Pt、Pb、Ag）的气体检测灵敏度与温度的关系Ra和Rg分别是气敏元件在空气中和被检测气体中的电阻值被测气体浓度：CO, 0.02%; H2, 0.8%; C3H8, 0.2%; CH4O.5% 氧化锡类气体传感器敏感元件的主要类型是：烧结体，薄膜，厚膜。（烧结温度 700900 C）制成烧结体敏感元件。铂电极和加热丝埋没其中， 0.0010.05m的晶粒组成约1 J

7、m以下砂粒状颗粒的形式存于其中。掺入 加剂可以提高其气体检测灵敏度。（2 ）氧化锌及格其它类气体传感器ZnO类气体传感器与SnO2类气体传感器相比，工作温度范围高出 其它金属氧化物，如氧化钨、氧化钒、氧化镉、氧化铟、氧化鈦、氧化铬等，也可用 作气体传感器的材料。Sn02粉末经烧结Sn02以直径Pt、Pb、Ag 等添100 C3.工作原理表面控制型气体传感器，其半导体气敏材料表面吸附有气体时，则半导体和吸附的气 体之间会有电子的施受发生，造成电子的迁移从而形成表面电荷层，最终引起元件电阻值 的变化。11. 3. 3. 2 体控制型气敏电阻1 三氧化二铁类气体传感器以-Fe2O3和;-Fe2O3为

8、主的多孔质烧结体传感器，主要用于检测甲烷（ CH4）和丙烷（C3H 8）气体。2 钙鈦矿类气体传感器在Al 2O3陶瓷基片上成形制作的镍酸镧薄膜敏感元件，适用于燃烧控制用气体传感器, 测定空气-燃料比。热稳定性好。如图 11-12所示。尸口）川m）11-13 CoiMgxO敏感元件的敏感特3 燃烧控制用气体传感器 主要用于测定空气-燃料比。半导体气体传感器的电阻值随温度变化也较大, 体传感器在一定温度范围内或进行高温气氛中空气-燃料比的测量要求气定的温度补偿使其性能稳定。以P型半导体氧化钴为主要材料，掺加氧化镁作稳定剂，制成 CoMgxO（x 0.5）的敏感元件，其特性很好，如图11-13所示

9、。13. 3. 4非电阻式半导体气体传感器1 二极管气体传感器控制楼如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而这种气体又对半导体的禁带宽度或 金属的功函数有影响的话， 则其整流特性会变化。 用于检测H2的钯一氧化鈦二极管的特性如图11-14所示。其检测机理是因为吸附在钯表面的 。2由于H2浓度的增高而解吸，从而使肖特基势垒降低，在一定的正向偏压下，二极管电流增大。2. MOS二极管气体传感器结构：如图11-15所示，在P型硅片上热氧化生成 0.050.15厚的SiO2层，然后在其 上蒸发一层0.050.2m厚的钯、铂等金属薄膜作为栅电极，构成 MOS二极管结构的敏感元件。11-16 钯一MO

10、S二极管敏感元件的 C-U特性检测原理：利用 MOS二极管的C-U特性检测 出。因为无栅偏置时，钯在 H2中的功函数比在空气中时低，加栅偏置后，钯吸附 H2导致MOS二极管的C-U特性向负偏压方向平移，如图11-16所示。利用图11-18所示的敏感元件的光电特性也可检测 H2。* U*图11-18应用光电动势的 图11-19 钯-MOS场效晶体管敏感元件钯一MOS二极管敏感元件3. MOS场效应晶体管气体传感器如图11-19所示，SiO2比普通MOS场效应晶体管薄（0.01 Am）,而且金属栅采 用钯薄膜厚0.01m的钯-MOS场效应晶体管，构成敏感元件MOS场效应晶体管漏极电流Id由栅压控制

11、，将栅极与漏极短路， 在源极与 漏极之间加电压，则Id= :（U -Ut）2式中，Ut是Id流过时的最小临界电压值； 是常数。由于Ut会随空气中所含 H2浓度的增高而降低，所以可以利用这一特性检测 H2以及容易分解出 H2的气体。其工作温度：120150C。13. 3. 5半导体气体传感器的应用半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等特点，广泛应用于 有毒有害、易燃易爆气体的检测、控制和报警等。表11-4气体传感器的应用分 类检测对象气体 1应用场断爆炸性气体液化石油气、城市用煤rx发生煤吒、天燃性煤气） 甲烷町燃性煤气煤矿办事处有秦吒萍-軌化曦（革完全燃烧的埠p 戒化執.吉

12、韓的有机此合物 卤素、卤化物.氨咒等煤吒灶等 1特殊场所环幢吒阵鬣汽制止峽氣）二軍化碳f肪吐総氧虑藕气（:调皆温度、防止结課 大气污染警）家庭、办企事 家庭、办公宅 电子设务、代车工业气怵HP控制聽烧朋节空气燃料比） 一轼化碳（肪止不究全燃烧 水裁气貧品加工）发功机粥炉 发动机，锅炉电效灶其他呼出吒体中的彌梢.烟等气体传感器应用实例：1 .气体报警器采用TGS109气敏电阻作为家用气体报警器传感器。AC100V图11-20简易家用气体报警器电路2 煤气报警器采用TGS109气敏电阻作为具有温度补偿和防止通电初期误报的“二段式”煤气报警 器传感器。nx4 11471L2SOJ5AP图11-24携

13、带式酒精探测仪电路图CO浓度测控4?皿Wfl *A4O0 fArA.-TL0B4图11-25 CO传感器应用电路,C DOA）十 + A8 九+11. 4红外气体传感器利用不同种类或不同浓度的气体对红外线吸收不同的特性制成红外吸收式气体传感 器。1 .电容麦克型：通过测量槽和比较糟的红外线强度因被测气体的种类或浓度的不同而 不同，它们交替周期地作用于密封一定气体的差动电容检测器，使其持薦T障一也的电动机-j 检出冷0 蔷晝蛛為匸枪岀Iifi度调节一比犊橹a可更換摊尢片电祸H图11-26电容麦克型红外吸收式气体传感器图11-27量子型红外光敏元件气体传感器和原电池式，如图11-28所示。 工作电勰恆圧源（电予） 甘中间隔膜两侧压力随红外线强度差异变化，最终导致差动电容器电容量的变化，由此检测 气体种类或浓度。如图 11-26所示。2 量子型：利用红外光电元件直接检测通过被测气体的红外线强度的变化，由此检测 气体的种类或浓度。如图 11-27所示。11. 5湿式气体传感器湿式气体传感器为固定电位电解气敏传感器，其结构有两种工作方式，极谱式（a）图11-28固定电位电解气敏传感器（a）极谱式 （b ）原电池式当被测气体通过隔膜扩散到电解液中后，不同气体会在不同固定电压作用下发生电解，从而导致电流的变化，通过测量电流的大小检测气体参数。