电化学气体传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第14章气体传感器 第1页14 气气 体体 传传 感感 器器 14.1 概述概述 气气体体传传感感器器是是将将被被测测气气体体浓浓度度转转换换为为与与其其一一定定关关系系电电量量输输出装置或器件。出装置或器件。气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成份传感器。气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成份传感器。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，按按组组成成气气体体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体两大类。当前实际使用最多是导体两大类。当前实际使用最多是半导体气体传感器。半导体气体传感器。第2页 半半导导体体气气体体传传感感器器是是利利用用待待测测气气体体与与半半导导体体表表面面接接触时，触时，产生电导率等物理性质改变产生电导率等物理性质改变来检测气体。来检测气体。按按照照半半导导体体与与气气体体相相互互作作用用时时产产生生改改变变只只限限于于半半导导体体表表面面或或深深入入到到半半导导体体内内部部，可可分分为为表表面面控控制制型型和和体体控控制制型。型。表表面面控控制制型型：半半导导体体表表面面吸吸附附气气体体与与半半导导体体间间发发生生电电子子接接收收，结结果果使使半半导导体体电电导导率率等等物物理理性性质质发发生生改改变变，但但内部化学组成不变；内部化学组成不变；体体控控制制型型：半半导导体体与与气气体体反反应应，使使半半导导体体内内部部组组成成发发生改变，而使电导率改变。生改变，而使电导率改变。14.2 半导体气体传感器。半导体气体传感器。第3页按按照照半半导导体体改改变变物物理理特特征征，又又可可分分为为电电阻阻型型和和非非电阻型。电阻型。电电阻阻型型半半导导体体气气敏敏元元件件是是利利用用敏敏感感材材料料接接触触气气体体时，其阻值改变来检测气体成份或浓度；时，其阻值改变来检测气体成份或浓度；非非电电阻阻型型半半导导体体气气敏敏元元件件是是利利用用其其它它参参数数，如如二二极极管管伏伏安安特特征征和和场场效效应应晶晶体体管管阈阈值值电电压压改改变变来来检检测测被测气体。被测气体。14.2 半导体气体传感器。半导体气体传感器。第4页14.2.1 半导体气体传感器机理半导体气体传感器机理半半导导体体气气体体传传感感器器是是利利用用气气体体在在半半导导体体表表面面氧氧化化和和还还原原反反应应造造成敏感元件阻值改变而制成。成敏感元件阻值改变而制成。当当半半导导体体器器件件被被加加热热到到稳稳定定状状态态，在在气气体体接接触触半半导导体体表表面面而而被被吸吸附附时时，被被吸吸附附分分子子首首先先在在表表面面物物性性自自由由扩扩散散，失失去去运运动动能能量量，一一部部分分分分子子被被蒸蒸发发掉掉，另另一一部部分分残残留留分分子子产产生生热热分分解解而而固固定定在在吸吸附处（化学吸附）。附处（化学吸附）。当当半半导导体体功功函函数数小小于于吸吸附附分分子子亲亲和和力力(气气体体吸吸附附和和渗渗透透特特征征)时时，吸吸附附分分子子将将从从器器件件夺夺得得电电子子而而变变成成负负离离子子吸吸附附，半半导导体体表表面面展展现现电电荷荷层层。比比如如氧氧气气等等含含有有负负离离子子吸吸附附倾倾向向气气体体被被称称为为氧化型气体或电子接收性气体氧化型气体或电子接收性气体。假假如如半半导导体体功功函函数数大大于于吸吸附附分分子子离离解解能能，吸吸附附分分子子将将向向器器件件释释放放出出电电子子，而而形形成成正正离离子子吸吸附附。含含有有正正离离子子吸吸附附倾倾向向气气体体有有H2、CO、碳碳氢氢化化合合物物和和醇醇类类，它它们们被被称称为为还还原原型型气气体体或或电子供给性气体电子供给性气体。第5页当当氧氧化化型型气气体体吸吸附附到到N型型半半导导体体上上，还还原原型型气气体体吸吸附附到到P型型半半导导体体上上时时，将将使使半半导导体体载载流流子子降降低低，而而使使半半导导体体电电阻阻值值增增大大。当当还还原原型型气气体体吸吸附附到到N型型半半导导体体上上，氧氧化化型型气气体体吸吸附附到到P型型半半导导体上时，则载流子增多，使半导体体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降电阻值下降。因为空气中含氧量大致上是恒定，所以氧吸附量也是恒定，器件阻值也相对固定。若气气体体浓浓度度发发生生改改变变，其其阻阻值值也也将将改改变变。依据这一特征，能够从阻值改变得知吸附气体种类和浓度。依据这一特征，能够从阻值改变得知吸附气体种类和浓度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。第6页图图 14-1 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7页14.2.2半导体气体传感器类型及结构半导体气体传感器类型及结构 1.电阻型半导体气体传感器电阻型半导体气体传感器SnO2系列气敏元件有系列气敏元件有烧结型烧结型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三种。烧结型应三种。烧结型应用最广泛性。用最广泛性。图图14-2 半导体气体传感器敏感元件半导体气体传感器敏感元件(a)烧结型元件；烧结型元件；(b)薄膜型元件薄膜型元件第8页(c)厚膜型元件厚膜型元件 第9页10烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 其敏感体用粒径很小其敏感体用粒径很小(平均粒径平均粒径m)SnO2粉体为基本材料，粉体为基本材料，依据需要添加不一样添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测依据需要添加不一样添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃还原性可燃还原性气体，其工作温度约气体，其工作温度约300。依据加热方式，分为。依据加热方式，分为直接直接加热式加热式和和旁热式旁热式两种两种。（1）直接加热式）直接加热式SnO2气敏元件气敏元件(直热式气敏元件直热式气敏元件)直接加热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片由芯片(敏感体和加热器敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组基座和金属防爆网罩三部分组成。成。因其热容量小、稳定性差，因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相测量电路与加热电路间易相互互干扰，加热器与干扰，加热器与SnO2基体间因基体间因为热膨胀系数差异而造成接触为热膨胀系数差异而造成接触不良，造成元件失效，现已极不良，造成元件失效，现已极少使用。少使用。第10页11（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布第11页 2.非电阻型半导体气体传感器非电阻型半导体气体传感器 非非电电阻阻型型气气敏敏器器件件也也是是半半导导体体气气体体传传感感器器之之一一。它它是是利利用用 MOS二二极极管管电电容容电电压压特特征征改改变变以以及及MOS场场效效应应晶晶体体管管(MOSFET)阈值电压改变阈值电压改变等物性而制成气敏元件。等物性而制成气敏元件。因因为为类类器器件件制制造造工工艺艺成成熟熟，便便于于器器件件集集成成化化，因因而而其其性性能能稳稳定定且且价价格格廉廉价价。利利用用特特定定材材料料还还能能够够使使器器件件对对一一些些气气体体尤尤其其敏敏感。感。第12页 (1)MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 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50100nm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)金金属属薄薄膜膜，作作为为栅栅电电极极，如如图图14-5(a)所所表示。表示。图14-5MOS二极管结构和等效电路(a)结构；(b)等效电路；(c)C-U特征第13页1514.3 半导体气敏元件特征参数半导体气敏元件特征参数 （1 1）气敏元件电阻值）气敏元件电阻值 将将电电阻阻型型气气敏敏元元件件在在常常温温下下洁洁净净空空气气中中电电阻阻值值，称称为为气气敏敏元元件件(电电阻阻型型)固固有有电电阻阻值值，表表示示为为。普普通通其其固固有有电电阻阻值值在在(10103 310105 5)范围。范围。测测定定固固有有电电阻阻值值时时,要要求求必必须须在在洁洁净净空空气气环环境境中中进进行行。因因为为经经济济地地理理环环境境差差异异，各各地地域域空空气气中中含含有有气气体体成成份份差差异异较较大大，即即使使对对于于同同一一气气敏敏元元件件，在在温温度度相相同同条条件件下下，在在不不一一样样地地域域进进行行测测定定，其其固固有有电电阻阻值值也也都都将将出出现现差差异异。所所以以，必必须须在在洁洁净净空空气气环环境境中中进进行测量。行测量。第15页16（2）气敏元件灵敏度）气敏元件灵敏度 表征气敏元件对于被测气体敏感程度指标。它表示气体敏感表征气敏元件对于被测气体敏感程度指标。它表示气体敏感元件电参量（如电阻型气敏元件电阻值）与被测气体浓度之间依元件电参量（如电阻型气敏元件电阻值）与被测气体浓度之间依从关系。表示方法有三种从关系。表示方法有三种（a a）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度K K（b b）气体分离度）气体分离度R RC1C1气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C1C1被测气体中阻值：被测气体中阻值：R R2 2气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C2C2被测气体中阻值。被测气体中阻值。通常，通常，C C1 1C C2 2。（c c）输出电压比灵敏度）输出电压比灵敏度K KV VV Va a:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上电压输出；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上电压输出；V Vg g:气敏元件在要求浓度被测气体中工作时，负载电阻电压输出气敏元件在要求浓度被测气体中工作时，负载电阻电压输出 Ra气敏元件在洁净空气中电阻值；Rg气敏元件在要求浓度被测气体中电阻值第16页17（4）气敏元件响应时间）气敏元件响应时间表表示示在在工工作作温温度度下下，气气敏敏元元件件对对被被测测气气体体响响应应速速度度。普普通通从从气气敏敏元元件件与与一一定定浓浓度度被被测测气气体体接接触触时时开开始始计计时时，直直到到气气敏敏元元件件阻阻值值到到达达在在此此浓浓度度下下稳稳定定电电阻阻值值63时时为为止止，所所需需时时间间称称为为气气敏敏元元件件在在此浓度下被测气体中响应时间，通惯用符号此浓度下被测气体中响应时间，通惯用符号tr表示。表示。（3）气敏元件分辨率）气敏元件分辨率表示气敏元件对被测气体识别（选择）以及对干扰气体抑制能力。表示气敏元件对被测气体识别（选择）以及对干扰气体抑制能力。气敏元件分辨率气敏元件分辨率S表示为表示为Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上输出电压；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上输出电压；Vg气敏元件在要求浓度被测气体中工作时，负载电阻上电压气敏元件在要求浓度被测气体中工作时，负载电阻上电压Vgi气敏元件在气敏元件在i种气体浓度为要求值中工作时，负载电阻电压种气体浓度为要求值中工作时，负载电阻电压第17页18（5 5）气敏元件加热电阻和加热功率）气敏元件加热电阻和加热功率 气敏元件普通工作在气敏元件普通工作在200200以上高温。以上高温。为为气气敏敏元元件件提提供供必必要要工工作作温温度度加加热热电电路路电电阻阻(指指加加热热器器电电阻阻值值)称称为为加加热热电电阻阻，用用R RH H表表示示。直直热热式式加加热热电电阻阻值值普普通通小小于于55；旁热式加热电阻大于；旁热式加热电阻大于2020。气气敏敏元元件件正正常常工工作作所所需需加加热热电电路路功功率率，称称为为加加热热功功率率，用用表示。普通在表示。普通在(0.5(0.52.0)2.0)W范围。范围。（6）气敏元件恢复时间）气敏元件恢复时间 表示在工作温度下表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸速度被测气体由该元件上解吸速度,普通从气敏普通从气敏元件脱离被测气体时开始计时元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值值63时所需时间。时所需时间。第18页19（7）早期稳定时间）早期稳定时间 长久在非工作状态下存放气敏元件长久在非工作状态下存放气敏元件,因表面吸附空气中水分或因表面吸附空气中水分或者其它气体者其它气体,造成其表面状态改变，在加上电负荷后造成其表面状态改变，在加上电负荷后,伴随元件温伴随元件温度升高度升高,发生解吸现象。所以发生解吸现象。所以,使气敏元件恢复正常工作状态使气敏元件恢复正常工作状态,需要需要一定时间一定时间,称为气敏元件早期稳定时间称为气敏元件早期稳定时间。普通电阻型气敏元件普通电阻型气敏元件,在刚通电瞬间在刚通电瞬间,其电阻值将下降其电阻值将下降,然后然后再上升再上升,最终抵达稳定。由开始通电直到气敏元件阻值抵达稳定所最终抵达稳定。由开始通电直到气敏元件阻值抵达稳定所需时间需时间,称为早期稳定时间。早期稳定时间是敏感元件存放时间和称为早期稳定时间。早期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态函数。存放时间越长环境状态函数。存放时间越长,其早期稳定时间也越长。在普通条其早期稳定时间也越长。在普通条件下件下,气敏元件存放两周以后气敏元件存放两周以后,其早期稳定时间即可达最大值。其早期稳定时间即可达最大值。第19页14.3 气体传感器应用气体传感器应用 半半导导体体气气体体传传感感器器因因为为含含有有灵灵敏敏度度高高、响响应应时时间间和和恢恢复复时时间间快快、使使用用寿寿命命长长以以及及成成本本低低等等优优点点，从从而而得得到到了了广广泛泛应应用用。按其用途可分为以下几个类型：按其用途可分为以下几个类型：检测检测报警报警监控监控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20页21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，气气敏敏元元件件阻阻值值下下降降到到一一定定值值后后，流流入入蜂蜂鸣鸣器器电电流流，足以推进其工作而发出报警信号。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21页