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氣敏傳感器元件的原理
時間:2010-07-07 10:11 作者:華星電器 點擊:
氣敏傳感器元件有2種.一種是直熱式,加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內;旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底,管內穿加熱絲,管外側有兩個測量極.

  本實驗所采用的SnO2(氧化錫)半導體氣敏傳感器屬電阻型氣敏元件;它是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化:若氣濃度發生,其阻值又將變化,根據這一特性,可以從阻值的變化得知,吸附氣體的種類和濃度. 教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實驗.由于氣體與人類的日常生活密切相關,對氣體的檢測已經是保護和生態居住環境不可缺少手段,氣敏傳感器發揮著重要的作用.例如生活環境中的一氧化碳濃度達0.8~1.15 ml/L時,就會出現呼吸急促,脈搏加快,甚至暈厥等狀態,達1.84ml/L時則有在幾分鐘內死亡的危險,因此對一氧化碳檢測快而準.利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料,通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒,并以此為基體摻雜催化劑,經適當燒結工藝進行表面修飾,制成旁熱式燒結型CO敏感元件,能夠探測0.005%~0.5%范圍的CO氣體.還有許多易爆可燃氣體,酒精氣體,汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的傳感器.常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器,電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等.接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑,鈀等稀有金屬催化層),使用時對鉑絲通以電流,保持300℃~400℃的高溫,此時若與可燃性氣體接觸,可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒,因此鉑絲的溫度會上升,鉑絲的電阻值也上升;通過測量鉑絲的電阻值變化的大小,就知道可燃性氣體的濃度.電化學氣敏傳感器一般利用液體(或固體,凝膠等)電解質,其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流,也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢.半導體氣敏傳感器具有靈敏度高,響應快,穩定性好,使用簡單的特點,應用廣泛;下面介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件.   
    半導體氣敏元件有N型和P型之分.N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減??;P型阻值隨氣體濃度的增大而增大.象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料,屬于N型半導體,在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧,形成氧的負離子吸附,使半導體中的電子密度減少,從而使其電阻值增加.當遇到有能供給電子的可燃氣體(如CO等)時,原來吸附的氧脫附,而由可燃氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面;氧脫附放出電子,可燃體以正離子狀態吸附也要放出電子,從而使氧化物半導體導帶電子密度增加,電阻值下降.可燃性氣體不存在了,金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附,使電阻值升高到初始狀態.這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理.   
氣敏傳感器元件有2種.一種是直熱式,加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內;旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底,管內穿加熱絲,管外側有兩個測量極,測量極之間為金屬氧化物氣敏材料,經高溫燒結而成.   
    氣敏元件的參數主要有加熱電壓,電流,測量回路電壓,靈敏度,響應時間,恢復時間,標定氣體(0.1%丁烷氣體)中電壓,負載電阻值等.QM-N5型氣敏元件適用于氣,煤氣,氫氣,烷類氣體,烯類氣體,汽油,煤油,乙炔,氨氣,煙霧等的檢測,屬于N型半導體元件.靈敏度較高,穩定性較好,響應和恢復時間短,市場上應用廣泛.QM-N5氣敏元件參數如下:標定氣體(0.1%丁烷氣體,佳工作條件)中電壓≥2V,響應時間≤10S,恢復時間≤30S,佳工作條件加熱電壓5V,測量回路電壓10V,負載電阻RL為2K,允許工作條件加熱電壓4.5~5.5V,測量回路電壓5~15V,負載電阻0.5~2.2K.下圖為氣敏元件的簡單測試電路(組成傳感器),電壓表指針變化越大,靈敏度越高;只要加一簡單電路可實現報警.常見的氣敏元件還有MQ-31(于檢測CO),QM-J1酒敏元件等.

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