气敏元件测试.doc

实验？？ 气敏材料性能检测
一、实验目的
1.了解气敏材料性能的测试方法
2.了解气敏材料测试仪的基本操作方法

二、概述
气体传感器属于化学传感器，它是利用传感器与被测气体进行化学反应，并把反应结果转换成电信号再加以检测。气体传感器种类繁多，分类方式也不少。可以按照使用的材料来分．如半导体气体传感器，固体解质气体传感器等。气体传感器中最核心、最重要的部件就是传感元件中的气体敏感材料，气体敏感材料对特种气体的灵敏度和选择性以及稳定性等等性能的好坏是这种气体传感器优劣的标志，所以气敏材料的研究是科技工作者的研究重点。
一种良好的气体传感器需要在以下几个方面体现其优越性，这几种主要参数特性如下：
(1)灵敏度：气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标,它是气敏传感器的一个重要参数。灵敏度表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系，一般采用电阻比（或电压比）来表示灵敏度S：
S=Ra / Rg = Vg / Va (对n型半导体)
S=Rg / Ra = Va / Vg (对p型半导体)
(其中Ra表示电阻型气敏元件在洁净空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值, Rg表示在被测气体中的电阻值称为实测电阻值)
(2)响应时间与恢复时间：气敏元件的响应时间表示在工作温度下、气敏元件对被测气体的响应速度，一般指气敏元件与一定浓度被测气体开始接触时，到气敏元件电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%所需的时间。一般用符号tres表示。而恢复时间表示在工作温度下，被测气体从该元件上解吸的速度。一般从气敏元件脱离被测气体开始计时，直到其电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%为止，所需的时间称为恢复时间。通常用符号trec表示。
(3)选择性：在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力称为选择性。对某种气体的选择性好就表示气敏元件对它有较高的灵敏度。选择性是气敏元件的重要参数。
(4)稳定性：当气体浓度不变，若其它条件发生变化时，在规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力称为稳定性。稳定性表示气敏元件对气体浓度以外的各种因素的抵抗能力。
(5)加热电压和加热功率：气敏元件一般在一定温度下工作。为气敏元件提供必要的工作温度的加热电路的电压称为加热电阻，常用符号VH表示。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，常用符号PH表示。

三、一般表面电阻控制型气体传感器的工作原理
在晶体表面，原子性质特别活泼，很容易吸附气体分子。吸附形式有物理吸附和化学吸附两种。物理吸附的吸附力主要是Van der waals力，发生物理吸附时吸附分子和固体表面组成都不会改变，发生在较低温度。发生化学吸附时吸附分子与固体表面间有某种化学作用，即它们之间有电子的交换，转移或共有，从而可导致原子的重排、化学键的形成与破坏，发生在较高温度。由于吸附本质不同，物理吸附和化学吸附在吸附热、吸附速度、吸附的选择性、吸附层数，发生吸附的温度，解吸状态等方面都有明显的差异。对于氧化物半导体来说，通常在表面上总有一层以化学吸附形式存在的氧。
在上述基本理论的基础上，就容易理解表面电阻控制型气体传感器的基本工作原理。这里以N型半导体气敏材料为例，当N型半导体气敏感应体表面吸附氧时，氧原子将从表面内获得电子而成为带负电荷的吸附态氧，从而导致表面势垒升高，电导率下降。当表面接触到待测气体如H2 、CO等还原性气体时，吸附态氧将与之发生的反应，反应释放出的电子重新回到半导体表面内，使表面势
气敏材料
气敏材料
E
e
还原性气体
粒界
还原性气体
气敏材料
气敏材料
E
e
O2
O2
粒界
粒界

粒界

图一 气敏材料的能带变化图

垒降低，电导率回升。相应地半导体表面能带变化的情况图1所示。这样，利用表面电阻的变化就可以检测出还原性气体的存在。

四、实验仪器
HW—30A型气敏元件测试仪
我们所用测试系统由河南汉威电子有限公司开发。一次能同时对64或30支气敏元件进行测试。通过对测试数据的处理, 能以图形曲线和数据两种方式显示气敏元件的特性，测试系统主要以下特点：
1.可显示气敏元件负载输出电压；
2.能计算元件电阻值、电压灵敏度和电阻灵敏度；
3.能计算元件的响应时间、恢复时间；
4.以形象的界面对所测试元件进行虚拟列阵、编号；
5.可将气敏元件负载输出电压随时间变化的特性曲线在测试过程中动态显示。
气敏测试系统由硬件, 软件两部分组成。 根据一般用户的需要, 本系统配置一块数据采集模块, 工作中能同时启用64 或32路数据采集通道。
系统硬件由PC机(硬件要求, CPU主频233以上, 内存32兆以上, VGA显卡, 推荐分辨率800X600以上鼠标)、数据采集模块 、下位机、电缆、配气箱等组成。
软件由windows9x支持运行。我们主要要求熟悉软件的界面和操作过程。
本系统采用电流电压测试法, 基本测试原理见下图:

图二 测试原理图
系统提供气敏元件工作加热电源Vh, 回路电源Vc, 通过测试与气敏元件串联的负载电阻Rl上的电压Vout来反应气敏元件的特性。

五、实验步骤
气敏元件的制作和检测具体过程如下：
(1)加加热丝：把涂覆有待测气敏材料的瓷管当中穿入加热丝；
常见的半导体气敏元件一般由敏感元件体、加热器、底座、防爆网等组成，其外部结构如图3所示：

图三 元件的外部结构
(2)焊接：把瓷管上的四根Pt电极和加热丝引线分别焊接在树脂材料底座上的镍管脚上；

图四 测试元件图
(3)封装：盖上防爆帽，插入测试电路板；
(4)老化：通加热电流，根据气敏材料需要定老化时间，一般老化3天；
(5)用气敏元件测试仪对其进行测试；
a. 硬件系统的安装
1.将数据采集模块插入配用PC机（硬件要求，CPU主频233以上，内存32兆以上，VGA显卡，推荐分辨率800X600以上）空闲的ISA插槽内，固定完好。
2.将测试主机安放于平整稳固便于操作的工作台上，用随机附带的通讯电缆连接测试主机数据口与PC机数据采集模块数据口。
3.将测试主机电源接入符合要求的电源插座内，打开面板上的电源开关，主机面板显示气敏元件加热电压Vh，回路电压Vc，调节相应的电压调节旋钮得到所需的测试电压条件。
b.软件系统操作
在windows的环境中下, 从“开始”按钮处打开开始菜单, 用鼠标点击程序组内“汉威气敏元件测试系统”启动图标，程序就会自动启动。或在桌面上直接用鼠标双击汉威气敏元件测试系统的图标 ，也可以启动程序。
这时我们就可以利用汉威气敏元件测试系统的各项功能,完成相应的任务。

六、实验要求
1.了解气敏元件的制作过程。
2.了解HW—30A型气敏元件测试仪的使用方法。重点掌握指导老师对气敏元件测试仪软件系统的演示过程。
3.记录测试结果数据并对其进行分析。