- 物聯(lián)網(wǎng)百科
- 產(chǎn)品百科
- 元器件百科
- 方案百科
氣敏傳感器
來源：作者：日期：2017-12-22 16:35:42點(diǎn)擊：12552次
氣敏傳感器是一種利用被測氣體與氣敏元件發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)或物理效應(yīng)等機(jī)理，把被測氣體的種類或濃度的變化轉(zhuǎn)化成氣敏元件輸出電壓或電流的變化。半導(dǎo)體電阻式氣敏傳感器則是利用氣體吸附在半導(dǎo)體上而使半導(dǎo)體的電阻值隨著可燃?xì)怏w濃度的變化而變化的特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的種類和濃度的判斷。
目錄
1、氣敏傳感器的簡介
2、氣敏傳感器工作原理
3、氣敏傳感器的分類
4、氣敏傳感器的應(yīng)用
5、氣敏傳感器的溫濕度補(bǔ)償
6、氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
氣敏傳感器的簡介：
氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂(R11、R12)的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。
它將氣體種類極其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警;還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。
氣敏傳感器工作原理：
聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用(化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移;氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。
氣敏傳感器的分類：
3.1.半導(dǎo)體氣敏傳感器
半導(dǎo)體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當(dāng)被測氣體在半導(dǎo)體表面吸附后，使半導(dǎo)體敏感材料的電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化，通過測量其變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測。對(duì)半導(dǎo)體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。
優(yōu)點(diǎn)：成本低，反應(yīng)快，靈敏度高，濕度影響小。
缺點(diǎn)：必須高溫工作，對(duì)氣體選擇性差。
3.2.光學(xué)氣敏傳感器
光學(xué)氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外—可見光波段。
大多數(shù)氣體分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜都在紅外波段。當(dāng)入射紅外輻射的頻率與分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)特征頻率相同時(shí)，紅外輻射就會(huì)被氣體分子所吸收，引起輻射強(qiáng)度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。紅外光源產(chǎn)生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測氣體時(shí)，根據(jù)氣體種類不同，將對(duì)不同波長的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對(duì)紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達(dá)光敏元件的紅外光的強(qiáng)度，根據(jù)紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號(hào)就可以知道被測氣體的種類和濃度。
某些材料和特定氣體接觸反應(yīng)后其在紫外—可見光波段的吸收光譜會(huì)發(fā)生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會(huì)發(fā)生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外—可見光波段實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測。
光學(xué)氣敏傳感器精度高、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機(jī)械等工業(yè)部門生產(chǎn)流程控制的重要監(jiān)測手段;在環(huán)境污染成分檢測和醫(yī)學(xué)生理研究等方面也都有許多成功的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，使用和維護(hù)難度較大。
3.3.接觸燃燒式氣敏傳感器
典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設(shè)有白金等金屬線，工作時(shí)金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生燃燒，所產(chǎn)生的熱量使金屬絲進(jìn)一步溫度升高，致使電阻值增大，導(dǎo)致電橋失衡產(chǎn)生輸出。不同種類不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對(duì)應(yīng)不同的電路輸出。
p;接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性氣體的存放情況和防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。
優(yōu)點(diǎn)：對(duì)氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應(yīng)快。
缺點(diǎn)：對(duì)低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。
3.4.電化學(xué)氣敏傳感器
電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)傳感電極表面發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測量該電流即可確定氣體濃度。
電化學(xué)氣敏傳感器主要用于相對(duì)封閉環(huán)境中有毒有害氣體的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對(duì)CO，H2S和甲醛等的監(jiān)測和報(bào)警。
優(yōu)點(diǎn)：選擇性好，反應(yīng)迅速，靈敏度高，可實(shí)時(shí)連續(xù)檢測。
缺點(diǎn)：易受環(huán)境影響，價(jià)格較高。
3.5. 各種氣敏傳感器的反應(yīng)機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)綜述
氣敏傳感器的應(yīng)用：
4.1.家用氣體報(bào)警器
4.2. 有害氣體辨別
4.3.可燃性氣體濃度檢測
4.4.礦燈瓦斯報(bào)警器
4.5.煙霧報(bào)警器
4.6.酒精檢測報(bào)警器
氣敏傳感器的溫濕度補(bǔ)償：
氣敏傳感器在測量中受環(huán)境溫濕度變化的影響很大，不考慮溫濕度變化因素會(huì)給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環(huán)境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇?xì)饷魝鞲衅髅舾性碾娮柚担?△Rs為氣敏傳感器正常工作時(shí)待測氣體濃度導(dǎo)致敏感元件的電阻值的變化值，-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環(huán)境因素影響導(dǎo)致的電阻值的變化值;
是采樣電阻，一般選用金屬膜電阻，溫濕度等環(huán)境變化對(duì)它的影響很小。此外，采樣電阻
本身產(chǎn)生的溫度影響可以忽略不計(jì)。
氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
6.1.能夠檢淵易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準(zhǔn)設(shè)定濃度。并能及時(shí)給出報(bào)薯、顯示與控制信號(hào);
6.2.對(duì)被側(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感;
6.3.長期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好
6.4.動(dòng)態(tài)特性好、響應(yīng)迅速;
6.5.使用、維護(hù)方便，價(jià)格便宜等。
| 外文名 | 外文名 |
| 氣敏傳感器 | gas sensor |
目錄
1、氣敏傳感器的簡介
2、氣敏傳感器工作原理
3、氣敏傳感器的分類
4、氣敏傳感器的應(yīng)用
5、氣敏傳感器的溫濕度補(bǔ)償
6、氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
氣敏傳感器的簡介：
氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂(R11、R12)的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。
它將氣體種類極其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警;還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。
氣敏傳感器工作原理：
聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用(化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移;氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。
氣敏傳感器的分類：
3.1.半導(dǎo)體氣敏傳感器
半導(dǎo)體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當(dāng)被測氣體在半導(dǎo)體表面吸附后，使半導(dǎo)體敏感材料的電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化，通過測量其變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測。對(duì)半導(dǎo)體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。
優(yōu)點(diǎn)：成本低，反應(yīng)快，靈敏度高，濕度影響小。
缺點(diǎn)：必須高溫工作，對(duì)氣體選擇性差。
3.2.光學(xué)氣敏傳感器
光學(xué)氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外—可見光波段。
大多數(shù)氣體分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜都在紅外波段。當(dāng)入射紅外輻射的頻率與分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)特征頻率相同時(shí)，紅外輻射就會(huì)被氣體分子所吸收，引起輻射強(qiáng)度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。紅外光源產(chǎn)生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測氣體時(shí)，根據(jù)氣體種類不同，將對(duì)不同波長的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對(duì)紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達(dá)光敏元件的紅外光的強(qiáng)度，根據(jù)紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號(hào)就可以知道被測氣體的種類和濃度。
某些材料和特定氣體接觸反應(yīng)后其在紫外—可見光波段的吸收光譜會(huì)發(fā)生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會(huì)發(fā)生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外—可見光波段實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測。
光學(xué)氣敏傳感器精度高、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機(jī)械等工業(yè)部門生產(chǎn)流程控制的重要監(jiān)測手段;在環(huán)境污染成分檢測和醫(yī)學(xué)生理研究等方面也都有許多成功的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，使用和維護(hù)難度較大。
3.3.接觸燃燒式氣敏傳感器
典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設(shè)有白金等金屬線，工作時(shí)金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生燃燒，所產(chǎn)生的熱量使金屬絲進(jìn)一步溫度升高，致使電阻值增大，導(dǎo)致電橋失衡產(chǎn)生輸出。不同種類不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對(duì)應(yīng)不同的電路輸出。
p;接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性氣體的存放情況和防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。
優(yōu)點(diǎn)：對(duì)氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應(yīng)快。
缺點(diǎn)：對(duì)低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。
3.4.電化學(xué)氣敏傳感器
電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)傳感電極表面發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測量該電流即可確定氣體濃度。
電化學(xué)氣敏傳感器主要用于相對(duì)封閉環(huán)境中有毒有害氣體的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對(duì)CO，H2S和甲醛等的監(jiān)測和報(bào)警。
優(yōu)點(diǎn)：選擇性好，反應(yīng)迅速，靈敏度高，可實(shí)時(shí)連續(xù)檢測。
缺點(diǎn)：易受環(huán)境影響，價(jià)格較高。
3.5. 各種氣敏傳感器的反應(yīng)機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)綜述
氣敏傳感器的應(yīng)用：
4.1.家用氣體報(bào)警器
4.2. 有害氣體辨別
4.3.可燃性氣體濃度檢測
4.4.礦燈瓦斯報(bào)警器
4.5.煙霧報(bào)警器
4.6.酒精檢測報(bào)警器
氣敏傳感器的溫濕度補(bǔ)償：
氣敏傳感器在測量中受環(huán)境溫濕度變化的影響很大，不考慮溫濕度變化因素會(huì)給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環(huán)境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇?xì)饷魝鞲衅髅舾性碾娮柚担?△Rs為氣敏傳感器正常工作時(shí)待測氣體濃度導(dǎo)致敏感元件的電阻值的變化值，-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環(huán)境因素影響導(dǎo)致的電阻值的變化值;
是采樣電阻，一般選用金屬膜電阻，溫濕度等環(huán)境變化對(duì)它的影響很小。此外，采樣電阻
本身產(chǎn)生的溫度影響可以忽略不計(jì)。
氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
6.1.能夠檢淵易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準(zhǔn)設(shè)定濃度。并能及時(shí)給出報(bào)薯、顯示與控制信號(hào);
6.2.對(duì)被側(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感;
6.3.長期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好
6.4.動(dòng)態(tài)特性好、響應(yīng)迅速;
6.5.使用、維護(hù)方便，價(jià)格便宜等。
