气敏湿敏传感器及其应用.pptx
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1、离子感烟器工作原理:探测器上有一只发光二极管和为探测器现场的显示。如果探测器通电,处于正常监视状态,LED会每10秒闪亮一次。在报警状态,LED将锁定恒亮直至探测器复位。每一探测器内含一对常开触点(A型)用于联接到报警控制电路还一组常开/常闭辅助触点(C点)。对探测器电源的监视是通过在探测器电源回路末端安装一电源监视终端断电器来完成。当电流加向并流过探测器时,终端电源监视模块被上电,其断电器触点闭合使控制器的报警回路形成闭合的串联电路。一旦断电或探测器回路断开,终端模块将失电,断电器触点脱开并向控制器触发故障信号。第2页/共108页第1页/共108页气敏传感器主要检测对象及其应用场所气敏传感器
2、主要检测对象及其应用场所 分类分类检测对象气体检测对象气体应用场合应用场合易燃易爆气体易燃易爆气体液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气甲烷甲烷氢气氢气家庭用家庭用煤矿煤矿 冶金、试验室冶金、试验室有毒气体有毒气体一氧化碳(不完全燃烧的煤气)一氧化碳(不完全燃烧的煤气)硫化氢、含硫的有机化合物硫化氢、含硫的有机化合物卤素,卤化物,氨气等卤素,卤化物,氨气等煤气灶等煤气灶等石油工业、制药厂石油工业、制药厂冶炼厂、化肥厂冶炼厂、化肥厂环境气体环境气体氧气(缺氧)氧气(缺氧)水蒸气(调节湿度,防止结露)水蒸气(调节湿度,防止结露)大气污染(大气污染(SOx,
3、NOx,CL2等)等)地下工程、家庭地下工程、家庭电子设备、汽车、温室电子设备、汽车、温室工业区工业区工业气体工业气体燃烧过程气体控制,调节燃燃烧过程气体控制,调节燃/空比空比一氧化碳(防止不完全燃烧)一氧化碳(防止不完全燃烧)水蒸气(食品加工)水蒸气(食品加工)内燃机,锅炉内燃机,锅炉内燃机、冶炼厂内燃机、冶炼厂电子灶电子灶其它灾害其它灾害烟雾,司机呼出酒精烟雾,司机呼出酒精火灾预报,事故预报火灾预报,事故预报第3页/共108页第2页/共108页气体传感器的性能必须满足下列条件:(1)能够检测并能及时给出报警、显示与控制信号;(2)对被测气体以外的共存气体或物质不敏感;(3)性能稳定性、重复
4、性好;(4)动态特性好、响应迅速;(5)使用、维护方便,价格便宜。离子感烟器第4页/共108页第3页/共108页11.2 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器第5页/共108页第4页/共108页1 1、检测原理、检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触,发生氧化反应,产生反应热(无焰接触燃烧热),使得作为敏感材料的铂丝温度升高,电阻值相应增大。一般,空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10),可燃性气体可以完全燃烧,其发热量与可燃性气体的浓度有关。可燃性气体浓度愈大,氧化反应(燃烧)产生的热量(燃烧热)愈多,铂丝的温度变化(增高)愈大,其电阻值增加的就越多。因此,只要测
5、定作为敏感件的铂丝的电阻变化值,就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是,使用单纯的铂丝线圈作为检测元件,寿命较短,实际应用的检测元件,都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命,又可以提高检测元件的响应特性。第6页/共108页第5页/共108页 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。F1是检测元件;F2是补偿元件,作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时,要求在F1和F2上保持100200mA的电流通过,供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时,由于剧烈的氧化作用(燃烧),释放出热
6、量,使得检测元件的温度上升,电阻值相应增大,桥式电路不再平衡,在A、B间产生电位差E。AF2F1MR1R2CBDW2W1E0第7页/共108页第6页/共108页11.3半导体气体传感器 利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体性质发生变化,以此检测特定气体的成分及浓度。第8页/共108页第7页/共108页表11.2 半导体气敏器件的分类 从表中看出,目前研究和使用的半导体气敏器件大体上可分为电阻式和非电阻式两大类。电阻式又可分成表面电阻控制型和体电阻控制型。非电阻式又可分为利用表面电位的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种。第9页/共108页第8页/共108页一、半导体电阻型气敏器件电阻型半导
7、体气敏元件的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体,是由金属氧化物为基体材料,添加不同物质在高温下烧结而成的,在烧结体的内部还装有测定电阻的电极。由于半导体材料的特殊性质,气体在半导体材料颗粒表面的吸附可导致材料载流子浓度发生相应的变化,从而改变半导体元件的电导率。由氧化物半导体粉末制成的气敏元件,具有很好的疏松性,有利于气体的吸附,因此其响应速度和灵敏度都较好。第10页/共108页第9页/共108页1表面电阻控制型气敏器件它是利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化特性制成的一类传感器。多数是以可燃性气体为检测对象,但如果吸附能力很强,即使是非可燃性气体也能作为检测对象。这种类型
8、的传感器,具有气体检测灵敏度高、响应速度比一般传感器快、实用价值大等优点。表面电阻控制型半导体气敏器件主要是靠表面电导率变化的信息来检验被接触气体分子。因此,要求做这种器件的半导体材料的体内电导率一定要小,这样才能提高气敏器件的灵敏度。第11页/共108页第10页/共108页 图11.4 表面电阻控制型气体传感器的结构(a)烧结型;(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型第12页/共108页第11页/共108页 图11.4 表面电阻控制型气体传感器的结构(a)烧结型;(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型第13页/共108页第12页/共108页气敏器件的阻值R与空气中被测气体的浓度C
9、成对数关系变化:(11.22)式中:n:与气体检测灵敏度有关,除了随传感器材料和气体种类不同而变化外,还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。m:是随气体浓度而变化的传感器灵敏度(也称为气体分离度),对于可燃性气体,1/3m1/2。第14页/共108页第13页/共108页图11.5 氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系第15页/共108页第14页/共108页2体电阻控制型气敏器件体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时,引起器件体电阻改变的原因比较多。对热敏型气敏器件而言,在600900下,在半导体表面吸附可燃性气体时,由于这类器件的工作温度比较高,被吸附气体燃烧使器件的温度
10、进一步升高,因此,半导体的体电阻发生变化。另外,由于添加物和吸附气体分子在半导体能带中形成新能级的同时,母体中生成晶格缺陷,也会引起半导体的体电阻发生变化。利用这些特性可以检测各种气体。第16页/共108页第15页/共108页目前常使用的-Fe2O3气敏器件,其结构如图11.6所示。(氧化物半导体,由于化学反应强而且容易还原的氧化物,在比较低的温度下与气体接触时晶体中的结构缺陷就发生变化,继之体电阻发生变化,因此,可以检测各种气体)图11.6-Fe2O3气敏器件结构第17页/共108页第16页/共108页当 它 与 气 体 接 触 时,随 着 气 体 浓 度 增 加 形 成 Fe+2离 子,而
11、 变 成 为Fe3O4,使器件的体电阻下降。也就是说,由-Fe2O3被还原成Fe3O4时形成Fe+2离子。它们之间的还原-氧化反应为:还原 氧化(8.23)-Fe2O3和Fe3O4都属于尖晶石结构的晶体,进行这种转变时,晶体结构并不发生变化。这种转变又是可逆的。当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态。这就是-Fe2O3气敏器件的工作原理。第18页/共108页第17页/共108页Fe2O3类气敏传感器不用贵金属催化剂,但也要用加热措施,通常在元件外部由电热丝烘烤。接触还原性气体后电阻值下降。典型三氧化二铁气敏特性如图11.50所示。图中表明:它对异丁烷和丙烷很灵敏,适合探测液化石油气。图11.50
12、Fe2O3气敏特性 第19页/共108页第18页/共108页二、非电阻控制型半导体气敏器件MOS二极管气敏器件:利用MOS二极管的电容-电压关系(C-V特性)来检测气体的敏感器件。图表示这种气敏器件的结构。图11.53 PdMOS二极管的C-V特性 第20页/共108页第19页/共108页MOSFET气敏器件原理:MOSFET金属氧化物半导体场效应气敏器件具有产品一致性好、体积小、重量轻、可靠性高、气体识别能力强、便于大批量生产。第21页/共108页第20页/共108页三、半导体气敏传感器的气敏选择性选择性是检验化学传感器是否具有实用价值的重要尺度。欲从复杂的气体混合物中识别出某种气体,就要求
13、该传感器具有很好的选择性。氧化物半导体气敏传感器的敏感对象主要是还原性气体,如CO、H2、甲烷、甲醇、乙醇等。为有效将这些性质相似的还原性气体彼此区分开,达到有选择地检测其中某单一气体的目的,必须通过改变传感器的外在使用条件和材料的物理及化学性质来实现。第22页/共108页第21页/共108页由于各种还原性气体的最佳氧化温度不同,因此首先可以通过改变氧化物传感器的工作温度来提高其对某种气体的选择性。例如,在某些催化剂如Pd的作用下,CO的氧化温度要比一般碳氢化合物低得多,因此,在低温条件下使用可提高对CO气体的选择性。第23页/共108页第22页/共108页通过使用某种物理的或化学的过滤膜,使
14、单一气体能通过该膜到达氧化物半导体表面,而拒绝其它气体通过,从而达到选择性检测气体的目的。如石墨过滤膜,涂在厚膜氧化物传感器表面可以消除氧化性气体(如NOx)对传感器信号的影响。提高传感器气敏选择性的最有效、最常用的手段是利用某些催化剂能有选择性地对被测气体进行催化氧化的原理来实现。通过选择合适的催化添加剂,可使由同一种基本氧化物材料制成的气敏传感器具有检测多种不同气体的能力。第24页/共108页第23页/共108页四、纳米技术在半导体陶瓷气体传感器中的应用纳米材料有两大效应,一是粒子尺寸降到小于电子平均自由程时,能级分裂显著,这就是量子尺寸效应。另一个显著效应是表面效应,颗粒细化到一定的程度
15、(100nm以内)后,粒子表面上的原子所占的比例急剧增大,也即表面体积比增大,当这些表面原子数量增加到一定程度,材料的性能更多地由表面原子,而不是由材料内部晶格中的原子决定,使之氧化还原能力增强,自身的催化活性更加活泼。而且,粒子进一步细化,而使粒子内部发生位错和滑移,所以纳米材料的性能多由晶粒界面和位错等表面缺陷所控制,从而产生材料表面异常活性。第25页/共108页第24页/共108页五、半导体气体传感器的应用半导体气敏器件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长、成本低,而得到了广泛的应用。目前,应用最广的是烧结型气敏器件,主要是SnO2、ZnO、Fe2O3等半导体气敏器件。近年来薄
16、膜型和厚膜型气敏器件也逐渐开始实用化。上述气敏器件主要用于检测可燃性气体、易燃或可燃性液体蒸汽。1廉价家用气体报警器烧结型SnO2气敏器件基本测试电路如图8.55所示。第26页/共108页第25页/共108页图8.55 气敏器件测试电路 第27页/共108页第26页/共108页这是采用直流电压的测试方法。图中的010V直流电源为半导体气敏器件的加热器电源,020V直流电源则提供测量回路电压Uc。RL为负载电阻兼作电压取样电阻。从测量回路可得到回路电流Ic为(8.25)式中,Rs为气敏器件电阻。另外,负载压降 为(8.26)第28页/共108页第27页/共108页从(8.26)式可得气敏器件电阻
17、Rs,即(8.27)这就是说,在空气中或者在某一气体浓度下,半导体气敏器件的电阻Rs可由(8.27)式计算。同时,由于半导体气敏器件和某气体相互作用后器件的Rs发生变化时,也相应地发生变化,这就是能够知道有无某种气体的情况及数量的大小,也就是达到检测某种气体的目的。第29页/共108页第28页/共108页图8.56表示新型半导体气敏器件QMN6型半导体气敏器件的特征。图8.57是利用QMN6型半导体气敏器件设计的简单而且廉价的家用气体报警器电路图。第30页/共108页第29页/共108页图8.56 QMN6灵敏度特性第31页/共108页第30页/共108页图8.57 家用报警器电路图 工作原理
18、是:蜂鸣器与气敏器件构成了简单串联电路,当气敏器件接触到泄漏气体(如煤气、液化石油气)时,其阻值降低,回路电流增大,达到报警点时蜂鸣器便发出警报。第32页/共108页第31页/共108页2家用煤气(CO)安全报警电路图8.58是家用煤气(CO)安全报警电路,该电路由两部分组成。一部分是煤气报警器,在煤气浓度达到危险界限前发出警报。另一部分是开放式负离子发生器,其作用是自动产生空气负离子,使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应,生成对人体无害的二氧化碳。第33页/共108页第32页/共108页煤气报警电路包括电源电路、气敏探测电路、电子开关电路和声光报警电路。开放式空气负离
19、子发生器电路由R10R13、C5C7、V5V7、3CTS3及B2等组成。这种负离子发生器,由于元件少,结构简单,通常无须特别调试即能正常工作。减小R12的阻值,可使负离子浓度增加。第34页/共108页第33页/共108页8.2半导体湿度传感器湿度的定义湿度是指大气中的水蒸气含量.在物理学和气象学中,对大气(空气)湿度的表征通常使用绝对湿度、相对湿度和露(霜)点湿度。在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度:(g/m3)第35页/共108页第34页/共108页为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前,普遍用相对湿度(缩写为RH)来表示湿度。所谓相对湿度是指气体的
20、绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:(8.21)保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为。第36页/共108页第35页/共108页湿度传感器的主要参数1.湿度量程能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围称为湿度量程。湿度范围用相对湿度(0100)%RH表示,量程是湿度传感器工作性能的一项重要指标。第37页/共108页第36页/共108页2.感湿特征量-相对湿度特性曲线每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、电压、频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲
21、线,称为相对湿度特性曲线,简称感湿特性曲线。通常希望特性曲线应当在全量程上是连续的且呈线性关系。有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为正特性湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称为负特性湿敏传感器。第38页/共108页第37页/共108页3.感湿灵敏度在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿度传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度,简称灵敏度,又称湿度系数。感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性曲线是线性的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的;如果湿度传感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大小就与其工作的相对湿度范围有关。
22、第39页/共108页第38页/共108页4.温度系数温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特征。感湿特征量随环境温度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。温度系数分为特征量温度系数和感湿温度系数。在环境湿度保持恒定的情况下,湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比,称为特征量温度系数。如感湿特征量是电阻,则电阻温度系数为电阻温度系数(%/C)第40页/共108页第39页/共108页感湿温度系数(%RH/C)式中,T为一个温度(25C)与另一规定环境温度之差;H1为温度为25C时湿度传感器的某一电阻值对应的相对湿度值;H2为另一规定环境
23、温度下,湿度传感器的同一电阻值对应的另一相对湿度值。第41页/共108页第40页/共108页5.响应时间在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感湿特征量之值达到稳态变化量的规定比例所需要的时间称为响应时间,也称为时间常数。一般是以相应于起始和终止这一相对湿度变化区间63%的相对湿度变化所需要的时间,叫响应时间,单位是s,也有规定从始到终90%的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间,一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。第42页/共108页第41页/共108页6.湿滞回线湿度传感器在升湿和降湿往返
24、变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。由于吸湿和脱湿特性曲线不重合,对应同一感湿特征量之值,相对湿度之差称为湿滞量。湿滞量越小越好,以免给湿度测量带来难度和误差。第43页/共108页第42页/共108页7.电压特性用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引起感湿体内水分子的电解,致使电导率随时间的增加而下降,故测试电压应采用交流电压。湿度传感器感湿特征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特性。当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的特性会带来较大影响。8.频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。在各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试频率而变化
25、,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上限。当然,为防止水分子的电解,测试电压频率也不能太低。第44页/共108页第43页/共108页9.其它特性与参数精度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度的相对误差。工作温度范围表示湿度传感器能连续工作的环境温度范围,它应由极限温度来决定,即由在额定功率条件下,能够连续工作的最高环境温度和最低环境温度所决定。稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中,能保持原有性能的能力。一般用相对湿度的年变化率表示,即%RH/年。寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度,能够连续工作的最长时间。第45页/共108页第44页/共108页湿度传感器器件目前常用的湿度传感器种类有:机械式湿
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- 气敏湿敏 传感器 及其 应用
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