气体传感器常识VIP专享VIP免费

气体传感器常识1、传感器的定义根据中华人民共和国国家标准(GB7665-87)，传感器的定义是：能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分。2、化学传感器传感器按工作原理分大体上可以分为化学型、物理型及生物型三大类。化学传感器是将规定的化学量按一定规律转换为可检测信号的传感器。化学传感器集电子科学、化学科学和材料科学于一体。化学传感器一般包括两部分，一部分具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能，称为识别系统；另一部分可将俘获的化学量有效转换为电信号的功能，称为传导系统。3、气体传感器的分类和工作原理3.1气体传感器的分类气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。3.2半导体气敏元件的结构（1）结构半导体气敏传感器主要有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结体器件是将电极和器件加热用的加热器埋入金属氧化物中，用电加热或加压成型后低温烧结制成的。虽然制作方法简单，但是，由于烧结不充分，器件的机械强度较低，又由于使用了贵金属丝，制造成本比其它制作方法高；此外，该种元件电特性的误差也较大。薄膜型器件是采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成氧化物半导体薄膜的。这种方法也很简单，其缺点是薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异较大。厚膜型器件采用丝网印刷法制成。工艺性和器件强度都很好，其特性也相当一致。厚膜型敏感元件的加热方式有直热式和旁热式两种。（2）加热方式加热器的作用是将附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200℃～400℃。直热式是将加热丝直接埋入气敏材料粉末中烧结而成。优点是制造工艺简单成本低、功耗小，可以在高电压回路中使用。它的缺点是热容量小，易受环境气流1影响，测量回路和加热回路间没有隔离会相互影响。旁热式是在管芯内增加一个陶瓷管，在管内放进一个高阻加热丝，陶瓷管表面的两端有用两个电极，在陶瓷管外涂气敏材料。其结构见下图。图2旁热式气敏元件这种结构克服了直热式的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响；器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、可靠性比直热式的好。3.3半导体金属氧化物气体传感器的工作原理半导体金属氧化物的气敏机理存在着多种模型，如冯祖勇将其分为表面电阻控制模型、体电阻控制模型、吸附气体产生新能级模型、隧道效应模型、控制栅极模型和接触燃烧模型。如表面控制模型认为气敏过程受表面缺陷数量控制。以P型SnO2气敏材料为例，发生在表面的化学变化涉及两种主要的反应，空气中的氧在表面夺取电子变成化学吸附氧，即：吸附态的氧离子使电导率下降。SnO2表面与还原性气体接触以后，表面活性中心与还原性气体作用，释放出电子，二氧化锡材料导带中电子密度增大，电阻减小，通过电信号强度的变化情况实现对气体的检测。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型气敏元件在检测到甲烷、一氧化碳、天燃气、煤气、液化石油气、乙炔、氢气等气体时，其电阻值减小；P型气敏元件在2检测到可燃气体时电阻值将增大，而在检测到氧气、氯气及二氧化碳等气体时，其电阻值将减小。4、气敏元件的评价参数(1)灵敏度气体传感器的灵敏度是指器件对被测气体的敏感程度。通常用气体传感器在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻与之比来表示灵敏度。常用S表示(或用β表示)，N型半导体气敏元件检测甲烷、一氧化碳、天燃气、煤气、液化石油气、乙炔、氢气等还原性气体时，灵敏度可表示为：Ra、Rg分别表示气敏元件在空气和检测气氛中的电阻。对于P型半导体气敏元件，检测甲烷、一氧化碳、天燃气、煤气、液...