传感器原理优秀课件.ppt

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1、传感器原理1第1页，本讲稿共56页5.1 5.1 气体传感器概述气体传感器概述气体传感器与人们的生活、生产紧密相关！气体传感器与人们的生活、生产紧密相关！2第2页，本讲稿共56页一、气体传感器分类：一、气体传感器分类：1.1.按检测方法分类：按检测方法分类：电气法：电气法：半导体气体器件半导体气体器件 电化学法：电化学法：电极和电解液电极和电解液 光学法：光学法：气体对光的折射率或光吸收等特性。气体对光的折射率或光吸收等特性。5.1 5.1 气体传感器概述气体传感器概述 2 2、按构成材料形态分类：、按构成材料形态分类：干式气体传感器：干式气体传感器：固体固体 湿式气体传感器：湿式气体传感器：

2、水溶液或电解液与电极水溶液或电解液与电极 3第3页，本讲稿共56页三、气体传感器的主要参数与特性三、气体传感器的主要参数与特性 1.1.灵敏度灵敏度S S 阻值变化量阻值变化量RR与与气体浓度气体浓度变化量变化量PP之比。之比。气敏元件在空气中的阻值气敏元件在空气中的阻值R R0 0与在被测气体中的阻值与在被测气体中的阻值R R之比。之比。5.1 5.1 气体传感器概述气体传感器概述气体浓度的表示：气体浓度的表示：体积浓度：体积浓度：ppm，每百万分中的一部分，称百万分率，表示方法如同百分率（）。，每百万分中的一部分，称百万分率，表示方法如同百分率（）。如：一百万体积的空气中所含污染物的体积数

3、。如：一百万体积的空气中所含污染物的体积数。质量浓度：质量浓度：微克毫升、毫克升、克立方米微克毫升、毫克升、克立方米(mg/m3(mg/m3、mg/L)mg/L)。4第4页，本讲稿共56页2.2.响应时间：响应时间：从气敏元件与被测气体接触，到其阻值达到新的恒定值所需要的时间，从气敏元件与被测气体接触，到其阻值达到新的恒定值所需要的时间，表表示元件对被测气体的反应速度。示元件对被测气体的反应速度。3.3.选择性：选择性：在多种气体共存的条件下，在多种气体共存的条件下，元件区分气体种类的能力，元件区分气体种类的能力，对某种气体有较高的灵敏度，表示对它的选择性好。对某种气体有较高的灵敏度，表示对它

4、的选择性好。5.1 5.1 气体传感器概述气体传感器概述4.4.稳定性稳定性 当气体浓度不变时，其它条件发生变化，在规定的时间内气敏元件当气体浓度不变时，其它条件发生变化，在规定的时间内气敏元件输出特性输出特性维持不变维持不变的能力。的能力。表示元件对气体浓度外各种因素的表示元件对气体浓度外各种因素的抵抗抵抗能力。能力。5第5页，本讲稿共56页5.5.温度特性：温度特性：灵敏度随灵敏度随温度变化的特性温度变化的特性。元件。元件自身温度自身温度与与环境温度环境温度对灵敏度都有影响，对灵敏度都有影响，前者的影响相当大，采用温度补偿方法。前者的影响相当大，采用温度补偿方法。气敏元件一般工作在气敏元件

5、一般工作在200200以上以上高温，用加热电阻为气敏元件提供必要工作高温，用加热电阻为气敏元件提供必要工作温度。温度。6.6.湿度特性：湿度特性：灵敏度随灵敏度随环境湿度变化的特性环境湿度变化的特性，是影响检测精度的另一因素，采用湿度补，是影响检测精度的另一因素，采用湿度补偿方法。偿方法。7.7.电源电压特性：电源电压特性：灵敏度随灵敏度随电源电压变化的特性电源电压变化的特性，采用恒压源改善。，采用恒压源改善。5.1 5.1 气体传感器概述气体传感器概述6第6页，本讲稿共56页8.8.初期稳定时间初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面因表面吸附空

6、气中的水分或者其他吸附空气中的水分或者其他气体气体,导致其表面状态的变化，在加上导致其表面状态的变化，在加上电负荷电负荷后后,随着元件温度的升高随着元件温度的升高,发生发生解吸解吸现象现象。使气敏元件使气敏元件恢复正常工作状态恢复正常工作状态,需要一定的时间需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳称为气敏元件的初期稳定时间。定时间。一般电阻型气敏元件一般电阻型气敏元件,在在刚通电的瞬间刚通电的瞬间,其电阻值将其电阻值将下降下降,然后再然后再上升上升,最后最后达到达到稳定稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间称为初期稳定时间。初

7、期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。在一般条件下初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。在一般条件下,气气敏元件存放敏元件存放两周两周以后以后,其初期稳定时间即可达其初期稳定时间即可达最大值最大值。5.1 5.1 气体传感器概述气体传感器概述7第7页，本讲稿共56页一、定义：一、定义：表面表面控制型半导体气敏元件控制型半导体气敏元件:SnOSnO2 2(二氧化锡二氧化锡)、ZnO(ZnO(氧化锌氧化锌)、WOWO3 3(三氧化钨三氧化钨)等，表面等，表面吸附吸附某种某种气体时，会引起气体时，会引起电导率电导率的变化。的变化。N型半导体吸附气体后阻值变化型半导体吸附气体后阻值变

8、化5.2 5.2 表面电阻控制型气体传感器表面电阻控制型气体传感器 8第8页，本讲稿共56页二、解释：二、解释：气体分子与半导体表面分子的关系：气体分子与半导体表面分子的关系：电子电子 气体分子吸附电子：气体分子吸附电子：负离子吸附负离子吸附 气体分子供给电子：气体分子供给电子：正离子吸附正离子吸附 负离子吸附负离子吸附 发生条件：发生条件：当气体分子的当气体分子的亲和能亲和能 半导体表面的电子半导体表面的电子逸出功逸出功时，气体从表面时，气体从表面夺夺取电子取电子而形成而形成负离子吸附负离子吸附，如氧气、氧化氮；，如氧气、氧化氮；5.2 5.2 表面电阻控制型气体传感器表面电阻控制型气体传感

9、器 9第9页，本讲稿共56页负离子吸附对半导体导电能力的影响：负离子吸附对半导体导电能力的影响：N N型半导体：型半导体：若在若在N N型型表面形成负离子吸附，则表面表面形成负离子吸附，则表面多数载流子多数载流子（电子电子）浓度减少浓度减少，电阻增加电阻增加。P P型半导体：型半导体：若在若在P P型型表面形成负离子吸附表面形成负离子吸附,表面表面多数载流子多数载流子（空穴空穴）浓度增大，电浓度增大，电阻减小阻减小。5.2 5.2 表面电阻控制型气体传感器表面电阻控制型气体传感器 10第10页，本讲稿共56页 正离子吸附正离子吸附发生条件：发生条件：若气体分子的若气体分子的电离能电离能 半导体

10、表面的半导体表面的电子电子逸出功逸出功，则气体，则气体供给供给半导体表半导体表面电子，形成面电子，形成正离子吸附正离子吸附，如，如H H2 2、COCO、C C2 2H H5 5OH(OH(乙醇乙醇)及各种碳氢化合物；及各种碳氢化合物；正离子吸附对半导体导电能力的影响：正离子吸附对半导体导电能力的影响：N N型半导体：型半导体：当当N N型型表面形成正离子吸附时，多数载流子（表面形成正离子吸附时，多数载流子（电子电子）浓度增加，电阻）浓度增加，电阻减小。减小。5.2 5.2 表面电阻控制型气体传感器表面电阻控制型气体传感器 11第11页，本讲稿共56页 P P型半导体：型半导体：当当P P型型

11、表面形成正离子吸附时，多数载流子（表面形成正离子吸附时，多数载流子（空穴空穴）浓度减少，电）浓度减少，电阻增加。阻增加。气敏性：吸附气体气敏性：吸附气体 电阻变化电阻变化 5.2 5.2 表面电阻控制型气体传感器表面电阻控制型气体传感器 12第12页，本讲稿共56页一、工作原理一、工作原理 SnOSnO2 2是一种是一种N N型半导体型半导体气敏性：气敏性：电阻增加：电阻增加：接触空气中接触空气中电子亲和性大电子亲和性大的气体的气体（如（如O O2 2和和NONO2 2等）等），吸附吸附氧氧会束缚会束缚晶体中的晶体中的电子电子，使表面空间电荷层的，使表面空间电荷层的传导电子减少传导电子减少，器

12、件处于，器件处于高阻高阻状态。状态。电阻减小：电阻减小：与与被测气体（如被测气体（如H H2 2、COCO）接触）接触时，与吸附氧发生反应，将被氧束时，与吸附氧发生反应，将被氧束缚的缚的电子释放电子释放出来，表面电导增加，使器件电阻减小。出来，表面电导增加，使器件电阻减小。5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 应用范围最广泛应用范围最广泛特点为：特点为：工作温度低工作温度低(最佳工作温度最佳工作温度300300o oc c以下以下)电阻率变化范围大，输出信号强。电阻率变化范围大，输出信号强。13第13页，本讲稿共56页添加剂：添加剂：提高提高灵敏度灵敏度：添加：添加2

13、 25%5%的贵金属（铂、钯的贵金属（铂、钯baba等）；等）；提高提高气体识别能力气体识别能力：添加微量的稀土元素；：添加微量的稀土元素；提高对乙炔的提高对乙炔的选择性选择性：添加适量的氧化银以及少量的四氯化锡、酸洗石棉；：添加适量的氧化银以及少量的四氯化锡、酸洗石棉；改善改善热稳定性和响应特性热稳定性和响应特性：添加少量的氧化物（如：添加少量的氧化物（如SbSb2 2O O3 3、VOVO5 5、MgOMgO、氧化铅等）可以等等。、氧化铅等）可以等等。5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 14第14页，本讲稿共56页二、二、SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 1.

14、1.烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 用于检测可燃的还原性气体，工作温度约用于检测可燃的还原性气体，工作温度约300。按照加热方式，分为按照加热方式，分为直热式直热式与与旁热式旁热式两种。两种。目前工艺最成熟的气敏元件目前工艺最成熟的气敏元件粒径很小粒径很小(1m)SnO(1m)SnO2 2粉体粉体陶瓷工艺制备陶瓷工艺制备混合混合5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 1.1.烧结型烧结型2.2.厚膜型厚膜型3.3.薄膜型薄膜型添加剂添加剂15第15页，本讲稿共56页（l l）直热式直热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件-又称又称内热式器件内热式器件芯片

15、芯片(敏感体和加热器敏感体和加热器)基座基座金属防爆网罩金属防爆网罩5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 SnO2烧结体两根电极(螺旋形铂-铱合金)热干扰和热膨胀系数的差异热干扰和热膨胀系数的差异可能造成元件的失效16第16页，本讲稿共56页（2 2）旁热式旁热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 组成：组成：薄壁薄壁陶瓷管：陶瓷管：两端金电极、铂两端金电极、铂-铱合金引线；铱合金引线；厚膜气体敏感层：厚膜气体敏感层：瓷管外壁涂覆瓷管外壁涂覆浆料层浆料层，经烧结形成；，经烧结形成；加热器：管内放一根加热器：管内放一根螺旋形高电阻螺旋形高电阻金属丝。金属丝。特点：特点：

16、测量电极与加热器分离测量电极与加热器分离，避免了相互干扰；，避免了相互干扰；元件的热容量较大，减少了环境温度对元件特性的影响。元件的热容量较大，减少了环境温度对元件特性的影响。5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 可靠性和使用寿命好于直热式。可靠性和使用寿命好于直热式。17第17页，本讲稿共56页优点：优点：用用丝网印刷技术丝网印刷技术由浆料制备而成。由浆料制备而成。与厚膜混合与厚膜混合ICIC工艺较好相容工艺较好相容，易集成。，易集成。用用微组装技术微组装技术与与ICIC芯片组装在一起。芯片组装在一起。2.2.厚膜型厚膜型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件5.2.1

17、 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 结构：结构：基片、加热器、隔离层和气体敏感层基片、加热器、隔离层和气体敏感层RuO2二氧化钌（liao)18第18页，本讲稿共56页3.3.薄膜型薄膜型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 工作温度较低工作温度较低、比表面积大、气敏性好。、比表面积大、气敏性好。在绝缘基板上，蒸发或溅射一层在绝缘基板上，蒸发或溅射一层SnOSnO2 2薄膜。薄膜。5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 19第19页，本讲稿共56页 对乙醇气体的灵敏度很高对乙醇气体的灵敏度很高温度特性：温度特性：对对C C2 2H H5 5OHOH在在3

18、50350400400时灵敏度最高；时灵敏度最高；对对COCO在在250250时灵敏度最高。时灵敏度最高。利用温度特性可实现对不同气体利用温度特性可实现对不同气体的选择性检测。的选择性检测。响应时间和恢复时间的温度特性：响应时间和恢复时间的温度特性：随着随着温度升高温度升高，响应和恢复时间，响应和恢复时间变短变短。灵敏度特性：灵敏度特性：5.2.1 SnO5.2.1 SnO2 2系气敏元件系气敏元件 20第20页，本讲稿共56页 ZnOZnO敏感特性：敏感特性：过剩的过剩的ZnZn离子、吸附氧分子、离子、吸附氧分子、氧分子夺取电子氧分子夺取电子，电阻值上升电阻值上升。还原性气体、催化剂作用下，

19、吸附的氧脱离半导体、电阻下降有极大还原性气体、催化剂作用下，吸附的氧脱离半导体、电阻下降有极大的影响。的影响。1 1 烧结型烧结型ZnOZnO气敏元件气敏元件5.2.2 ZnO5.2.2 ZnO系气敏元件系气敏元件 N N型半导体、工作温度较高型半导体、工作温度较高1.1.烧结型烧结型2.2.厚膜型厚膜型3.3.薄膜型薄膜型催化剂的影响：催化剂的影响：铂铂Pt：对乙醇、丙烷、丁烷有较高的灵敏度，对氢、一氧化碳等的灵敏度对乙醇、丙烷、丁烷有较高的灵敏度，对氢、一氧化碳等的灵敏度却较低。却较低。钯钯Pd：对氢、一氧化碳的灵敏度较高，对烷类气体的灵敏度较低。对氢、一氧化碳的灵敏度较高，对烷类气体的灵

20、敏度较低。实验表明加入少量实验表明加入少量2%2%wtwt的三氧化二铬，使其稳定性改善。的三氧化二铬，使其稳定性改善。WtWt是指质量百分比是指质量百分比21第21页，本讲稿共56页Pt（铂）为催化剂Pd（钯）为催化剂5.2.2 ZnO5.2.2 ZnO系气敏元件系气敏元件 22第22页，本讲稿共56页2.2.薄膜型薄膜型ZnOZnO气敏元件气敏元件制备工艺平；制备工艺平；氧化锌薄膜对氧化锌薄膜对乙醇乙醇的灵敏度比对的灵敏度比对汽油汽油的灵敏度高出近一倍；的灵敏度高出近一倍；避免避免汽油汽油对检测对检测酒精酒精的干扰。的干扰。5.2.2 ZnO5.2.2 ZnO系气敏元件系气敏元件 Te-Te

21、-碲碲23第23页，本讲稿共56页3.3.多层式多层式ZnOZnO气敏元件气敏元件 对乙醇的灵敏度很高对乙醇的灵敏度很高 5.2.2 ZnO5.2.2 ZnO系气敏元件系气敏元件 结构：结构：在绝缘基片上沉积在绝缘基片上沉积ZnOZnO薄膜薄膜；ZnOZnO上涂敷一催化剂层上涂敷一催化剂层-多孔覆盖层；多孔覆盖层；铂铱片铂铱片能促进对氧和乙醇的吸附，能促进对氧和乙醇的吸附，RuORuO2 2促进乙醇的氧化作用。促进乙醇的氧化作用。测试：测试：在乙醇气氛中测量在乙醇气氛中测量A A与与B B间电阻的变化。间电阻的变化。24第24页，本讲稿共56页一、一、WOWO3 3系气敏元件系气敏元件 5.2

22、.3 5.2.3 其他氧化物气敏元件其他氧化物气敏元件 对对H H2 2、N N3 3H H4 4、NHNH3 3、H H2 2S S与碳氢化合物与碳氢化合物等气体敏感。等气体敏感。对对H H2 2S S有很好的气敏性、选择性和响应恢复特性！有很好的气敏性、选择性和响应恢复特性！对对H H2 2、COCO、CHCH4 4(甲烷甲烷)、C C4 4H H10 10(丁烷丁烷)等可燃性气体的抗等可燃性气体的抗干扰能力较干扰能力较强强。对对乙醇乙醇气体具有较高的灵敏度。气体具有较高的灵敏度。W W钨钨 C Cn nH H2n+2 2n+2 烷烃，饱和烃，链烷烃；烷烃，饱和烃，链烷烃；C Cn nH

23、H2n 2n 烯烃，有一个不饱和度，或是一环烷烃；烯烃，有一个不饱和度，或是一环烷烃；C Cn nH H2n-2 2n-2 炔烃，有两个不饱和度，或是两环烷烃；炔烃，有两个不饱和度，或是两环烷烃；25第25页，本讲稿共56页二、非晶态二、非晶态SiOSiO2 2 以SiO2为主体,掺杂Fe2+离子薄膜制备的气敏元件；对CO气体有良好的气敏特性。低浓度下有较高的灵敏度；有较高的抗蚀性和稳定性，长寿命；检测机理基于对气体吸附-脱附可逆反应，重复性好；可直接实现了气-电转换，信号足够强。5.2.3 5.2.3 其他氧化物气敏元件其他氧化物气敏元件 26第26页，本讲稿共56页 将材料的体电阻随某种气

24、体的浓度发生变化的传感器。目前应用最多的是Fe2O3和TiO2等氧化物半导体气敏元件。5.3 5.3 体电阻控制型气体传感器体电阻控制型气体传感器 TiTi钛钛 27第27页，本讲稿共56页 Fe2O3的晶体结构有亚稳态的尖晶石亚稳态的尖晶石-Fe-Fe2 2O O3 3和稳定态的刚玉结构稳定态的刚玉结构-FeFe2 2O O3 3两种；-Fe2O3、-Fe2O3、ABO3型化合物等材料制成的气敏元件都是体体控制型控制型；这类气敏元件都与O2密切相关。一、-Fe2O3气敏元件 -Fe2O3是N型半导体 高温下如果吸附了还原性气体，使电阻率很高的尖晶石-Fe2O3转变为电阻率很低的尖晶石结构Fe

25、3O4。-Fe2O3气敏元件的响应特性 5.3.1 5.3.1 氧化铁系气敏元件氧化铁系气敏元件28第28页，本讲稿共56页二、二、-Fe-Fe2 2O O3 3气敏元件气敏元件 1.灵敏度特性 -Fe-Fe2 2O O3 3是是N N型半导体材料型半导体材料 除乙醇外，其它气体电导率随着可燃气体浓度的增加而增加。电导率随着可燃气体浓度的增加而增加。-Fe2O3气敏元件对烷类气体的灵敏度特性 -Fe2O3气敏元件对H2、CO、C2H5OH的灵敏度特性 5.3.1 5.3.1 氧化铁系气敏元件氧化铁系气敏元件29第29页，本讲稿共56页-Fe2O3气敏传感器的电阻随环境温度的上升而下降元件阻值R

26、s也会随湿度而变化-Fe2O3气敏传感器的温度特性 5.3.1 5.3.1 氧化铁系气敏元件氧化铁系气敏元件30第30页，本讲稿共56页TiOTiO2 2是具有金红石结构的是具有金红石结构的N N型半导体型半导体在高温下才有明显的氧敏特性。添加贵金属铂作为催化剂温度补偿原理图 5.3.2 TiO5.3.2 TiO2 2 、NbNb2 2O O5 5氧敏元件氧敏元件温度补偿元件温度补偿元件氧化钴氧化钴-氧化镁二元系材料氧化镁二元系材料Nb:铌31第31页，本讲稿共56页一、多层薄膜气敏传感器一、多层薄膜气敏传感器 多层薄膜传感器结构图第一层FeFe2 2O O3 3+TiO+TiO2 2作为导电

27、层作为导电层;第二层是SnOSnO2 2或或WOWO3 3作为敏感层作为敏感层。选择不同气敏材料作第二层，则有可能实现对气体选择性检测。5.3.3 5.3.3 其它氧敏元件其它氧敏元件Fe2 2O3 3+TiO2 232第32页，本讲稿共56页二、混合厚膜型气敏传感器 在陶瓷基片上，用丝网印刷技术制成混合型厚膜器件。5.3.3 5.3.3 其它氧敏元件其它氧敏元件丝网印刷:是将丝织物、合成纤维织物或金属丝网绷在网框上，采用手工刻漆膜或光化学制版的方法制作丝网印版。现代丝网印刷技术，则是利用感光材料通过照相制版的方法制作丝网印版(使丝网印版上图文部分的丝网孔为通孔，而非图文部分的丝网孔被堵住)。

28、印刷时通过刮板的挤压，使油墨通过图文部分的网孔转移到承印物上，形成与原稿一样的图文。丝网印刷设备简单、操作方便，印刷、制版简易且成本低廉，适应性强。丝网印刷应用范围广常见的印刷品有：彩色油画、招贴画、名片、装帧封面、商品标牌以及印染纺织品等。33第33页，本讲稿共56页有三种金属氧化物半导体敏感膜：测量测量CHCH4 4的的SnOSnO2 2膜膜测测COCO的的WOWO3 3膜膜测测C C2 2H H5 5OHOH的的 LaNiOLaNiO3 3膜膜。混合厚膜气敏器件结构图 5.3.3 5.3.3 其它氧敏元件其它氧敏元件34第34页，本讲稿共56页三、复合氧化物气敏传感器三、复合氧化物气敏传

29、感器 钙钛矿型稀土金属氧化物（LnM）BO2是主要的复合氧化物系气敏材料，检测乙醇、CO及烟雾等。复合氧化物（复合氧化物（ZnSnOZnSnO3 3、ZnZn2 2SnOSnO4 4）是性能优良的气敏材料）是性能优良的气敏材料。对C2H2、C2H5OH及LPG有很高的灵敏度。5.3.3 5.3.3 其它氧敏元件其它氧敏元件35第35页，本讲稿共56页5.4.1 5.4.1 气敏二极管气敏二极管 5.4 5.4 二极管和二极管和MOSFETMOSFET气体传感器气体传感器 一、金属一、金属/半导体结型二极管传感器半导体结型二极管传感器 功函数：固体物理中定义为，把一个电子从固体内部刚刚移到此物体

30、表面所需的最少能量。肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管:简称肖特基二极管，是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。目前常用的这种传感器有P Pd d/C/Cd dS S，P Pd d/T/Ti iO O2 2，P Pt t/T/Ti iO O2 2等。Pd：钯，Cd；镉,Ti：钛，Pt：铂 将金属与半导体结合做成整流二极管，其整流作用来源于金属和半导体功函数的差异，随着功函数因吸附气体而变化，其整流作用也随之发生变化。36第36页，本讲稿共56页5.4 5.4 二极管和二极管和MOSFETMOSFET气体传感器气体传感器 肖特基肖特基势垒势垒的形成：的形成：N型半导体中存在着大量的电子，

31、贵金属中仅有极少量的自由电子，电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散,表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为BA。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从AB的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。肖特基二极管原理：肖特基二极管原理：以贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。37第37页，本讲稿共56页5.4 5.4 二极管和二极管和MOSFETMOSFET气体传感器气体传感器 P

32、 Pd dTTi iO O2 2结型气敏传感器结型气敏传感器 器件在正向偏压下器件在正向偏压下，电流随着气体浓度的增加而变大电流随着气体浓度的增加而变大。a、b、c、d、e、f、g分别为不同氢气浓度时的曲线。38第38页，本讲稿共56页二、二、MOSMOS二极管气敏元件二极管气敏元件 利用利用MOSMOS二极管的二极管的电容电容电压特性电压特性的变化制成的的变化制成的MOSMOS气敏元件气敏元件。SiO2层的电容Cox是固定不变的，SiSiO2界面电容Cx是外加电压的函数。总电容C是栅极偏压的函数，其函数关系称为该MOSMOS管的电容管的电容电压（电压（CUCU）特）特性性。吸附氢气的浓度变化

33、引起引起MOSMOS管的管的CUCU特性向负偏压方向平移特性向负偏压方向平移，由此测定浓度。MOS二极管的CU特性Pd-MOS二极管敏感元件 5.4 5.4 二极管和二极管和MOSFETMOSFET气体传感器气体传感器 39第39页，本讲稿共56页依靠离子导电：依靠离子导电：电解质在低于其熔点温度下阴或阳离子导电；如ZrO2固体电解质的氧离子、LiSO4的Li+离子都有传导性。主要的固体电解质有：主要的固体电解质有：O2-(CeO2,CaTi10.9Mg0.05O3-,Bi1.5W0.24O3)F-(LaF3,Pb1-xBixF2+x,PbF2,CaF2)Cl-(PbCl2,SnCl2,CsP

34、bCl2)Br-溴(PbBr2,CsPbBr2)Na+(Na-Al2O3,Na2ZrPSiO12,Na-Ga2O3)NH4+(NH4-Al2O3)5.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 40第40页，本讲稿共56页5.5.1 5.5.1 浓差电池式浓差电池式ZrOZrO2 2氧传感器氧传感器 工作介质：工作介质：具有具有氧离子传导性氧离子传导性的的ZrOZrO2 2固体电解质固体电解质；材料制备：材料制备：给ZrO2晶体中添加适量的CaO或Y2O3等，经高温形成萤石型立方晶系固溶体，或称为稳定化ZrO2。Y:钇(yi)5.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器

35、工作原理：工作原理：在一定高温下，当稳定化当稳定化ZrOZrO2 2介质介质两侧两侧有多孔性金属电极有多孔性金属电极，且两侧氧浓度不同时，便会出现高浓度侧氧通过固体中的氧空位以O2-离子状态向低氧浓度一侧迁移，显示出氧离子导电特性。在固体电解质两侧电极上产生氧浓差电势。41第41页，本讲稿共56页氧浓差电池结构及原理图 5.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 42第42页，本讲稿共56页一、实用浓差电池一、实用浓差电池ZrOZrO2 2氧传感器氧传感器 用途：控制空燃比组成：由产生电动势的ZrO2电解质管、起电极作用的衬套、以及防止ZrO2管损坏和导入汽车排气的进气孔组成。5

36、.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 工作原理：当空燃比接近理论值时，铂的表面从O2与CO完全进行化学反应（CO过剩、O2为零）的状态急剧变化为氧含量过剩（CO为0，O2过剩）的状态，电解质两边氧浓度之比急剧变化，电动势也急剧地变化。43第43页，本讲稿共56页浓差电池ZrO2氧传感器的结构 浓差电池ZrO2氧传感器的输出特征 5.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 44第44页，本讲稿共56页特点：特点：（1）这种氧传感器的工作温度较高工作温度较高（一般在800以上），因而不利于在某些领域（如医药、生物研究以及汽车传感器）的推广应用。（2）电解质及电极材料

37、的物理化学性能受高温的影响，使用寿命也相应缩短使用寿命也相应缩短。措施措施：用催化性强的二氧化钌（RuO2）代替催化性弱的铂（Pt）作电极，使工作温度降至300。5.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 45第45页，本讲稿共56页5.5.2 SO5.5.2 SO2 2传感器传感器 5.5 5.5 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 固体电解质为LiSO4，采用Li+离子导体。在一侧流过已知浓度的SO2，由电动势E就可求得另一侧的SO2浓度。如果用硫酸盐和碳酸盐作为固体电解质，根据同样的办法可作成测量NO、NO2和CO、CO2的传感器。SO2气敏传感器 46第46页，本讲

38、稿共56页5.6.1 5.6.1 气敏元件的检测原理与结构气敏元件的检测原理与结构 5.6 5.6 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 检测原理检测原理:可燃性气体（可燃性气体（H H2 2、COCO、CHCH4 4、LPGLPG等）与空气中的氧接触等）与空气中的氧接触，发生氧化反应发生氧化反应，产生反应热，使得敏感材料铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高（低于10%），可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度成正比。铂电阻值的增大量就与可燃性气体浓度成正比。测定铂丝的电阻变化值（R），

39、就可以检测到空气中可燃性气体的浓度。47第47页，本讲稿共56页（a）元件的内部示意图 （b）敏感元件外形图 结构：结构：使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其使用寿命较短。实际应用是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒氧化物触媒，以延长其寿命，提高其响应特性。5.6 5.6 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 铂丝：铂丝：直径5060m的高纯铂丝，绕制成直径0.5mm的线圈，一般应绕10圈以上，在线圈外面涂以氧化铝或者氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层，干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。48第48页，本讲稿共56页贵金属接触媒层：贵金属接触媒层：放在贵金属铂、钯等的盐溶液中，充分浸渍后取出烘干，然

40、后经过高温热处理，使在氧化铝（或氧化铝和氧化硅）载体上形成贵金属接触媒层。5.6 5.6 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 49第49页，本讲稿共56页接触燃烧式气敏元件的感应特性 表明输出电压与浓度成正比。表明输出电压与浓度成正比。5.6.2 5.6.2 气敏元件的特性气敏元件的特性 5.6 5.6 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 50第50页，本讲稿共56页 一、家用气体报警一、家用气体报警 家用气体报警器电路 采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器BZ报警。对于丙烷

41、、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。氖灯管5.7 5.7 气体传感器的应用气体传感器的应用 51第51页，本讲稿共56页二、有害气体鉴别、报警与控制电路二、有害气体鉴别、报警与控制电路 MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高(10k左右)，有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降。声光报警：微音器发出嘀嘀声，发光二极管发出红光。5.7 5.7 气体传感器的应用气体传感器的应用 52第52页，本讲稿共56页三、可燃性气体浓度检测电路三、可燃性气体浓度检测电路 当QMN10不接触可燃性气体不接触可燃性气体时，其A-B两电极间呈高阻抗，使得脚

42、电压趋于0V，相应LEDlLED5均不亮。当QMN10处在一定的可燃性气体浓度一定的可燃性气体浓度中时，其A-B两电极端电阻变得很小，这时脚存在一定的电压0.18V，使得相应的发光二极管点亮。如果可燃性气体的浓度越高可燃性气体的浓度越高，则LEDlLED5依次被点亮的只数越多。5.7 5.7 气体传感器的应用气体传感器的应用 53第53页，本讲稿共56页四、矿灯瓦斯报警器四、矿灯瓦斯报警器 气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏元件在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。当瓦斯超限时，矿灯自动闪光并发出报警声当瓦斯超限时，矿灯自动闪光并发出报警声。金丝雀金丝雀 5.7 5.7 气体传感

43、器的应用气体传感器的应用 54第54页，本讲稿共56页五、烟雾报警器电路五、烟雾报警器电路 HQ-2气敏管A-B之间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有烟雾环境中可下降到几千欧。该气敏管长期搁置首次使用时，在没有遇到可燃性气体时电阻也将减小，需经10分钟左右的初始稳定时间后方可正常工作。5.7 5.7 气体传感器的应用气体传感器的应用 55第55页，本讲稿共56页六、酒精检测报警器六、酒精检测报警器 酒精检测报警控制器电路原理图 QM-NJ9型酒精传感器，检测到酒精气味后立即发出连续不断的“酒后别开车”的响亮语音报警，并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。消耗功率小于075W，响应时间小于10秒，恢复时间小于60秒。5.7 5.7 气体传感器的应用气体传感器的应用 56第56页，本讲稿共56页