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1、第九章气体和湿度传感器9.1气体传感器一、概述：①气体传感器的作用：把气体（多数为空气）中的特定成分（如：氢气、氧气、一氧化碳、酒精、甲烷、有毒性气体、可燃性气体等）②气体传感器的用途：用于可燃性气体的泄露、报警。用于防灾、容器、管道的检漏。还可用于环境监测、锅楼及汽车尾气的检测。9.1.1半导体型气体传感器（最常用的气体传感器）一、半导体型气体传感器的工作机理半导体与气体接触时，引起：①电阻值的变化→电阻式气体传感器②功函数发生变化→非电阻式气体传感器功函数：标志着电子从半导体中逸出的能量大小。功函数越
2、大，电子越不容易从半导体中逸出。二、半导体气体传感器的分类：①检测易燃易爆气体：液化石油气、甲烷、氢气、天然气等。②检测有毒气体：一氧化碳、硫化氢、卤素、氨气等③检测环境气体：氧气、水蒸气、大气污染④燃烧过程气体控制、水蒸气控制（食品加工）三、表面控制型气体传感器（属于电阻式气体传感器）１．组成材料：氧化锡（SnO2）,或氧化锌（ZnO）掺入少量贵重金属Pt作为催化剂提高其灵敏度。（Ｎ型半导体）２．工作原理：被检测气体气敏元件（Ｎ型半导体）气体吸附在半导体的表面在表面自由扩散分子蒸发固定在吸附处固定在吸附
3、处的吸附分子吸附分子失去电子成为正离子半导体的自由电子数目↑电阻值↓半导体的功函数＞吸附分子的亲和力半导体的功函数＜吸附分子的亲和力吸附分子失去电子成为负离子半导体的自由电子数目↓电阻值↑正离子吸附型也叫：还原型负离子吸附型也叫：氧化型三、表面控制型气体传感器（属于电阻式气体传感器）1.工作原理大气中吸气时稳定状态元件加热氧化型（如氧气，氧化氮系列等气体）还原型（如氢气，一氧化碳、酒精等气体）2~10分钟电阻/KΩ1005052.半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值将电阻型气敏元件在常温下洁净空
4、气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。测定固有电阻值Ｒａ时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。（2）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。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。（3）气敏元件
5、的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压（4）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。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用
6、符号tr表示。（5）气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。（6）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏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值的63％时所需时间。（7）初期稳定时间长期
7、在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。SnO
8、2系列气敏元件有：烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。直接加热式目前较少采用。3.半导体SnO2气敏元件烧结型加热器电阻值一般为30Ω～40Ω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）
