气敏传感器ppt市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

气敏传感器气敏传感器第1页 提问：同学们都会知道哪些是有毒有害气体呢？煤气、CO、甲烷、烟雾是，这些气体当到达一定浓度时候都会危机到我们生命。2、那我们要怎样预防有害气体对我们生命安全造成伤害呢？装个对这些有害气体敏感报警器。这章要介绍气敏传感器就是这种报警器电路里一个很主要器件。接下来我们就开始介绍气敏传感器。第2页 气气敏敏传传感感器器作作用用相相当当于于我我们们鼻鼻子子，可可“嗅嗅”出出空空气气中中某某种种特特定定气气体体，并并判判定定气气体体浓浓度度，从从而而实实现现对对气气体体成成份份检检测测和和监监测测，以以改改进进人人们们生生活活水水平平，保保障障人人们们生生命命。第3页环境污染、火灾报警环境污染、火灾报警煤矿煤矿化工化工第4页一、与气敏相关基本概念一、与气敏相关基本概念 气体浓度表示？气体浓度表示？对环境大气（空气）中污染物对环境大气（空气）中污染物浓度浓度表示方法有两种：表示方法有两种：1、质量质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物质量数，浓度表示法：每立方米空气中所含污染物质量数，即即mg/m32、体积体积浓度表示法：一百万体积空气中所含污染物体积浓度表示法：一百万体积空气中所含污染物体积数，即数，即ppm 大部分气体检测仪器测得气体浓度都是体积浓度（大部分气体检测仪器测得气体浓度都是体积浓度（ppm）。）。而按中国要求，尤其是环境保护部门，则要求气体浓度以质量而按中国要求，尤其是环境保护部门，则要求气体浓度以质量浓度单位（浓度单位（mg/m3）表示，中国标准规范也都是采取质量浓度）表示，中国标准规范也都是采取质量浓度单位（如：单位（如：mg/m3）表示。）表示。第5页什么是气敏传感器？什么是气敏传感器？气气敏敏传传感感器器是是用用来来检检测测气气体体类类别别、浓浓度度和和成成份份传传感感器器。因因为为气气体体种种类类繁繁多多,性性质质各各不不相相同同，不不可可能能用用一一个个传传感感器器检检测测全全部部类类别别气气体体，所所以以，能能实实现现气气-电电转转换换传传感感器器种种类类很很多多，按按组组成成气气敏敏传传感感器器材材料料可可分分为为半半导导体体和和非非半半导导体体两两大大类类。当当前前实实际际使使用用最多是半导体气敏传感器。最多是半导体气敏传感器。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器第6页气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其它可燃性其它可燃性气体传感器气体传感器第7页酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管第8页家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器第9页一氧化碳传感器一氧化碳传感器第10页其它气体传感器其它气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器第11页二氧化碳浓度传感器二氧化碳浓度传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量第12页汽车尾气分析汽车尾气分析第13页有毒气体传感器使用有毒气体传感器使用第14页1 1、气敏传感器性能要求：、气敏传感器性能要求：l对被测气体含有较高灵敏度对被测气体含有较高灵敏度l对被测气体以外共存气体或物质不敏感对被测气体以外共存气体或物质不敏感 l性能稳定，重复性好性能稳定，重复性好 l动态特征好，对检测信号响应快速动态特征好，对检测信号响应快速l使用寿命长使用寿命长 l制造成本低，使用与维护方便等制造成本低，使用与维护方便等 气敏传感器是暴露在各种成份气体中使用，因为检测现场气敏传感器是暴露在各种成份气体中使用，因为检测现场温度、湿度改变很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作温度、湿度改变很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件材料会产生化学反应物，附条件较恶劣，而且气体对传感元件材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。所以，对气敏元件有以着在元件表面，往往会使其性能变差。所以，对气敏元件有以下要求：下要求：二、认识气敏传感器 第15页2、常见气敏传感器分类、常见气敏传感器分类 第16页3、半导体气敏传感器机理、半导体气敏传感器机理 半导体式气敏传感器：半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体电导电导率率等物理性质发生改变原理来检测特定气体成份或等物理性质发生改变原理来检测特定气体成份或者浓度者浓度材料：气敏电阻材料是金属氧化物半导体；材料：气敏电阻材料是金属氧化物半导体；其中其中P型：如氧化钴、型：如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。氧化铅、氧化铜、氧化镍等。N型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。合成材料有时还渗透了催化剂合成材料有时还渗透了催化剂,如钯（如钯（Pd）、铂）、铂（Pt）、银（）、银（Ag）等。第17页表表7-1 半导体气敏元件分类半导体气敏元件分类 第18页基本原理基本原理是利用气体在半导体表面氧化还原反应造成敏感元件阻值是利用气体在半导体表面氧化还原反应造成敏感元件阻值改变而制成。改变而制成。半导体气敏材料半导体气敏材料吸附气体能力很强吸附气体能力很强。当半导体器件被加热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，被吸附到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分分子首先在表面物性自由扩散，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（化学吸附）。处（化学吸附）。第19页当半导体功函数小于吸附分子亲和力时，当半导体功函数小于吸附分子亲和力时，吸附分子将吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面展现半导体表面展现电荷层。氧气等含有负离子吸附倾向气体被称为电荷层。氧气等含有负离子吸附倾向气体被称为氧化氧化型气体或电子接收性气体型气体或电子接收性气体。假如半导体功函数大于吸附分子离解能，吸附分子将假如半导体功函数大于吸附分子离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。含有正离子向器件释放出电子，而形成正离子吸附。含有正离子吸附倾向气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、吸附倾向气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。煤气、天然气、氢气等。它们被称为它们被称为还原型气体或电还原型气体或电子供给性气体子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电子，化，也就是在化学反应中能给出电子，化学价升高气体；多数属于可燃性气体。学价升高气体；多数属于可燃性气体。第20页当当氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体型半导体（SnO2,ZnO)上，上，还原型气体吸附到还原型气体吸附到P型半导体型半导体(CrO3)上时，将上时，将使半导体载流子降低，而使电阻值增大。使半导体载流子降低，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体型半导体上，氧化型气体吸附到吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。导体电阻值下降。第21页图图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值改变图型半导体吸附气体时器件阻值改变图 第22页规则总结规则总结：氧化型气体氧化型气体N型半导体：载流子数下降，型半导体：载流子数下降，电阻增加电阻增加还原型气体还原型气体N型半导体：载流子数增加，型半导体：载流子数增加，电阻减小电阻减小氧化型气体氧化型气体P型半导体：载流子数增加，型半导体：载流子数增加，电阻减小电阻减小还原型气体还原型气体P型半导体：载流子数下降，型半导体：载流子数下降，电阻增加电阻增加 第23页4、半导体气敏传感器类型及结构、半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 图图9-2 气敏半导体传感器器件结构气敏半导体传感器器件结构(a)烧结型气敏器件；烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；薄膜型器件；(c)厚膜型器件厚膜型器件 第24页图图9-2 气敏半导体传感器器件结构气敏半导体传感器器件结构(a)烧结型气敏器件；烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；薄膜型器件；(c)厚膜型器件厚膜型器件 第25页 因因为为加加热热方方式式普普通通有有直直热热式式和和旁旁热热式式两两种种，因因而而形形成成了了直直热热式式和和旁旁热热式式气气敏敏元元件件。直直热热式式气气敏敏器器件件结结构构及及符符号号如如图图9-3所所表表示。示。图图 9-3 直热式气敏器件结构及符号直热式气敏器件结构及符号(a)结构；结构；(b)符号符号第26页 旁热式气敏器件结构及符号如图旁热式气敏器件结构及符号如图9-4所表示所表示图图 9-4 旁热式气敏器件结构及符号旁热式气敏器件结构及符号(a)旁热式结构；旁热式结构；(b)符号符号第27页 2.非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管电容电压特征变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)阈值电压变化等物性而制成气敏元件。因为类器件制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格廉价。利用特定材料还能够使器件对某些气体特别敏感。第28页 (1)MOS二二极极管管气气敏敏器器件件 MOS二二极极管管气气敏敏元元件件制制作作过过程程是是在在P型型半半导导体体硅硅片片上上，利利用用热热氧氧化化工工艺艺生生成成一一层层厚厚度度为为50100 nm二二氧氧化化硅硅(SiO2)层层，然然后后在在其其上上面面蒸蒸发发一一层层钯钯(Pd)金金属属薄薄膜，作为栅电极，如图膜，作为栅电极，如图9-5(a)所表示。所表示。图图 9-5 MOS二极管结构和等效电路二极管结构和等效电路(a)结构；结构；(b)等效电路；等效电路；(c)C-U特征特征 第29页 (2)MOS场场效效应应晶晶体体管管气气敏敏器器件件 钯钯-MOS场场效效应应晶晶体体管管(Pd-MOSFET)结构，结构，参见图参见图9-6。图图 9-6 钯钯MOS场效应晶体管结构场效应晶体管结构第30页（1）气敏元件灵敏度特征气敏元件灵敏度特征烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型SnO2气气敏敏器器件件对对气气体体灵灵敏敏度度特特征征如如右右图图所所表表示示。气气敏敏元元件件阻阻值值RC与与空空气气中中被被测测气气体体浓浓度度C成成对对数数关关系：系：log RCm logC+n式式中中n与与气气体体检检测测灵灵敏敏度度相相关关，除除了了随随材材料料和和气气体体种种类类不不一一样样而而改改变变外外，还还会会因因为为测测量量温温度度和和添添加加剂剂不不一一样样而而发发生生大大幅幅度度改改变变。m为为气气体体分分离离度度，随随气气体体浓浓度度改改变变而而改改变变，对于可燃性气体，对于可燃性气体，。在气敏材料在气敏材料SnO2中添加铂中添加铂(Pt)或钯或钯(Pd)等作为催化剂，能够提升其等作为催化剂，能够提升其灵敏度和对气体选择性。添加剂成份和含量、元件烧结温度和工作温度都灵敏度和对气体选择性。添加剂成份和含量、元件烧结温度和工作温度都将影响元件选样性。将影响元件选样性。5、气敏元件基本特征、气敏元件基本特征 1.SnO2系系第31页（2 2）SnOSnO2 2材材料料物物理理、化化学学稳定定性性很很好好，与与其其它它类型型气气敏敏元元件件（如如接接触触燃燃烧式式气气敏敏元元件件）相相比比，SnOSnO2 2气气敏敏元元件件寿寿命命长、稳定性好、耐腐定性好、耐腐蚀性性强。（3 3）SnOSnO2 2气气敏敏元元件件对气气体体检测是是可可逆逆，而而且且吸吸附附、脱脱附附时间短，可短，可连续长时间使用。使用。（4 4）元元件件结构构简单，成成本本低低，可可靠靠性性较高高，机机械械性性能能良良好。好。（5 5）对气气体体检测不不需需要要复复杂处理理设备。可可将将待待检测气气体体浓度可通直接度可通直接转变为电信号信号,信号信号处理理电路路简单。第32页影响影响 SnOSnO2 2气敏效气敏效应主要原因主要原因（1 1）SnOSnO2 2结构构组成成对气敏效气敏效应影响影响 SnOSnO2 2含含有有金金红石石型型晶晶体体结构构，用用于于制制作作气气敏敏元元件件SnOSnO2 2，普普通通都都是是偏偏离离化化学学计量量比比，在在SnOSnO2 2中中有有氧氧空空位位或或锡间隙隙原原子子。这种种结构构缺缺点点直直接接影影响响气气敏敏器器件件特特征征。普普通通地地说，SnOSnO2 2中中氧空位多，气敏效氧空位多，气敏效应显著。著。（2 2）SnOSnO2 2中添加物中添加物对气敏效气敏效应影响影响 试验证实，S SnOnO2 2中添加物中添加物质，对其气敏效其气敏效应有有显著影响。著影响。表表7-37-3列出了含有不一列出了含有不一样添加物添加物质SnOSnO2 2气敏元件气敏效气敏元件气敏效应。（3 3）烧结温度和加温度和加热温度温度对气敏效气敏效应影响影响 试验证实，制制作作元元件件烧结温温度度和和元元件件工工作作时加加热温温度度，对其其气气敏敏性性能能有有显著著影影响响。所所以以，利利用用元元件件这一一特特征征可可进行行选择检测。第33页表表7-3 添加物添加物对SnO2气敏效气敏效应影响影响 添加物质 检测气体 使用温度（）PdO,Pd CO，C3H8 酒精 200300 Pd,Pt过渡金属 CO，C3H8 200300 PdCI2，SbCI3 CH4，C3H8,CO 200300 Sb2O3,TiO2TIO3 250300 V2O5，Cu 250400 稀土类 酒精系可燃性气体 过渡金属 还原性气体 250300 Sb2O3,Bi2O3 还原性气体 500800 高岭土（陶土），Bi2O3 WO LPG，CO，城市煤气，酒精酒精，丙酮碳氢系还原性气体200300第34页（4）SnO2气气敏敏元元件件易易受受环环境境温温度度和和湿湿度度影影响响，上上图图给给出出了了SnO2气气敏敏元元件件受受环环境境温温度度、湿湿度度影影响响综综合合特特征征曲曲线线。因因为为环环境境温温度度、湿湿度度对对其其特特征征有有影影响响，所所方方便便用用时时，通通常常需需要加温度赔偿。要加温度赔偿。第35页 2ZnO(氧化锌氧化锌)系气敏元件系气敏元件 ZnO系系气气敏敏元元件件对对还还原原性性气气体体有有较较高高灵灵敏敏度度。它它工工作作温温度度比比SnO2系系气气敏敏元元件件约约高高100左左右右，所所以以不不及及SnO2系系元元件件应应用用普普遍遍。一一样样如如此此，要要提提升升ZnO系系元元件件对对气气体体选选择择性性，也也需需要要添添加加Pt和和Pd等等添添加加剂剂。比比如如在在ZnO中中添添加加Pd，则则对对H2和和CO展展现现出出较较高高灵灵敏敏度度；而而对对丁丁烷烷(C4H10)、丙丙烷烷(C4H8)、乙乙烷烷(C4H6)等等烷烷烃烃类类气气体体则则灵灵敏敏度度很很低低，以以下下列列图图(a)所所表表示示。假假如如在在ZnO中中添添加加Pt，则则对对烷烷烃烃类类气气体体有有很很高高灵灵敏敏度度，而而且且含含碳碳量量越越多多、灵敏度越高，而对灵敏度越高，而对H2和和CO气体则灵敏度很低，以下列图气体则灵敏度很低，以下列图(b)所表示。所表示。第36页三、气体传感器应用三、气体传感器应用 气敏传感器应用较广泛是用于防灾报警，如可制成液化石气敏传感器应用较广泛是用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对对O2O2、CO2CO2等气体测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、等气体测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。酒精浓度探测等方面。第37页(1)(1)、电源电路、电源电路 普通气敏元件工作电压不高普通气敏元件工作电压不高(3V(3V10V)10V)，其工作电压，尤其是供给加热，其工作电压，尤其是供给加热电压，必须稳定。不然，将造成加热电压，必须稳定。不然，将造成加热器温度改变幅度过大，使气敏元件工器温度改变幅度过大，使气敏元件工作点漂移，影响检测准确性。作点漂移，影响检测准确性。(2)(2)、辅助电路、辅助电路 因为气敏元件本身特征因为气敏元件本身特征(温度系数、湿度系数、早期稳定性等温度系数、湿度系数、早期稳定性等)，在设，在设计、制作应用电路时，应给予考虑。如采取温度赔偿电路，降低气敏元件计、制作应用电路时，应给予考虑。如采取温度赔偿电路，降低气敏元件温度系数引发误差；设置延时电路，预防通电早期，因气敏元件阻值大幅温度系数引发误差；设置延时电路，预防通电早期，因气敏元件阻值大幅度改变造成误报；使用加热器失效通知电路，预防加热器失效造成漏报现度改变造成误报；使用加热器失效通知电路，预防加热器失效造成漏报现象。象。第38页(3)(3)、检测工作电路、检测工作电路 这是气敏元件应用电路主体部分。这是气敏元件应用电路主体部分。下下列列图图是是设设有有串串联联蜂蜂鸣鸣器器应应用用电电路路。伴伴随随环环境境中中可可燃燃性性气气体体浓浓度度增增加加，气气敏敏元元件阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器电流，足以推进其工作而发出报警信号。件阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器电流，足以推进其工作而发出报警信号。220VBZ 氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR第39页案例案例1.燃气报警器燃气报警器各类易燃、易爆、有毒、有害气体检测和报警都能够各类易燃、易爆、有毒、有害气体检测和报警都能够用对应气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成份用对应气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成份检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。山、家庭、娱乐场所等。家用燃气泄漏报警器家用燃气泄漏报警器 第40页 下列下列图是一个最是一个最简单家用气体家用气体报警器警器电路。气路。气-电转换器件采取器件采取测试回路高回路高电压直直热式气敏元件式气敏元件TGS109TGS109。当室内可燃性气体增加。当室内可燃性气体增加时，因因为气敏元件接触到可燃性性气体而其阻气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，降低，这么流么流经回路回路电流便增加，可直接流便增加，可直接驱动蜂蜂鸣器器报警。警。设计报设计报警警时时，应合理合理选择开始开始报报警警浓浓度，度，选选低了，灵敏度高，低了，灵敏度高，轻轻易易产产生生误报误报；选选高了，又高了，又轻轻易造成漏易造成漏报报，起不到，起不到报报警效果警效果 220VBZ 氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR第41页案例案例2.酒精传感器酒精传感器第42页图为预防酒后开车控制器原理图。图中图为预防酒后开车控制器原理图。图中QMJ1QMJ1为酒敏元件。若司机没喝酒，为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关在驾驶室内合上开关S S，此时气敏器件阻值很高，此时气敏器件阻值很高，U Ua a为高电平，为高电平，U U1 1低电平，低电平，U U3 3高电平，继电器高电平，继电器K2K2线圈失电，其常闭触点线圈失电，其常闭触点K2-2K2-2闭合，发光二极管闭合，发光二极管VD1VD1通，通，发绿光，能点火开启发动机。发绿光，能点火开启发动机。预防酒后开车控制器原理图预防酒后开车控制器原理图案例案例3.预防酒后开车控制器预防酒后开车控制器第43页若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使Ua为低电平，为低电平，U1高电平，高电平，U3低电低电平，继电器平，继电器K2线圈通电，线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，通，发红光，以示警告，同时常闭触点以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法开启发动机。断开，无法开启发动机。若司机拔出气敏器件，继电器若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点线圈失电，其常开触点K1-1断开，依然无断开，依然无法开启发动机。常闭触点法开启发动机。常闭触点K1-2作用是长久加热气敏器件，确保此控制器处于作用是长久加热气敏器件，确保此控制器处于准备工作状态。准备工作状态。5G1555为集成定时器。为集成定时器。预防酒后开车控制器原理图预防酒后开车控制器原理图第44页案例案例4：矿灯瓦斯报警器：矿灯瓦斯报警器矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功效。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路效。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路和报警信号电路组成。如传感器故障情况下，矿灯每十秒钟闪一次。当矿灯在和报警信号电路组成。如传感器故障情况下，矿灯每十秒钟闪一次。当矿灯在空气中监测到甲烷气体到达报警浓度时，矿灯每秒闪一次。空气中监测到甲烷气体到达报警浓度时，矿灯每秒闪一次。第45页第46页第47页Thank you！第48页