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1、,第六章传感器与敏感材料化学传感器:能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为电信号的传感器气体浓度离子浓度空气湿度6.1气敏传感器6.2湿敏传感器,6.1气敏传感器6.1.1气敏传感器的基本概念及分类气敏传感器的定义:是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件,它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。,气敏传感器的性能要求:对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感性能稳定,重复性好动态特性好,对检测信号响应迅速使用寿命长制造成本低,使用与维护方便等,气敏传感器的主要参数及特性灵敏度:对气体的敏感
2、程度响应时间:对被测气体浓度的响应速度选择性:指在多种气体共存的条件下,气敏元件区分气体种类的能力稳定性:当被测气体浓度不变时,若其他条件发生改变,在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力温度特性:气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性湿度特性:气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性电源电压特性:指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性时效性与互换性:反映元件气敏特性稳定程度的时间,就是时效性同一型号元件之间气敏特性的一致性,反映了其互换性,气敏传感器的分类原检测对象特点半导体式氧化物(sm02、Fe203、2n02等),还原性气体、城市排敏度高,构造与电路简电阻值会增大或减小放气体、丙
3、烷气等单,但输出与气体浓度不成比例可燃性气体接触到氧气就会接触燃烧式燃烧,使得作为气敏材料的销燃烧气体输出与气体浓度成比例,丝温度升高,电阻值相应增大但灵敏度较低利用化学溶剂与气体反应产生化学反应式的电流、颜色、电导率的增加C0、2、CH1、CH1OH、气体选择性好,但不能重S02等复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产与空气折射率不同的寿命长,但选择性差生的干涉现象气体,如C2等热传导式根据热传导率差而放热的发热与空气热传导率不同构造简单,但灵敏度低元件的温度降低进行检测的气体,如H等选择性差红外线吸收由于红外线照射气体分子谐振c0、C02等能定性测量,但装置大散射式而吸收或散射量进行检测
4、价格高,6.1.2半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏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的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为电阻式非电阻式,烧结型电阻式薄膜型厚膜型半导体式气敏传感器二极管气敏传感器韭电阻式Ms二极管气敏传感器Pd-MOSFET气敏传感器图6.1半导体式气敏传感器的分类,1)电阻式气敏传感器基本原理是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在表面物性自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附
5、处(化学吸附)。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时,吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类,它们被称为还原型气体或电子供给性气体,当氧化型气体吸附到N型半导体(SnO2zno上,还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时,将使半导体载流子减少,而使电阻值增大当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,则载流子增多,使半导体电阻值下降。,器件电阻/k响应时间约1min以100稳定状氧化型器件加热1态50还原型2 min 4 min加热刑关吸气时大气中图6.2N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,
