1、第8章 气体传感器,第8章 气体传感器,在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等,8.1 半导体气体传感器,8.1.1 半导体气体传感器及其分类 原理 金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触，由于气体的吸附，引起材料电学性能的变化，以此检测特定气体及其浓度。 分类 电阻型：表面控制型；体控制型； 非电阻型：二极管整流特性型；晶体管特性性；（都属于表面控制）,8.1 半导体气体传感器,8.1.2 主要特性及其改善 1.气体选择
2、性及其改善 气体选择性：对不同气体的敏感特性。 改善方法：掺杂（氧化物或添加物）；控制气敏元件的烧结温度；改善气敏元件工作时的加热温度。 2.气体浓度特性 气体传感器的输出量与被测气体浓度之间的关系，这是气体传感器的基本特性。,8.1 半导体气体传感器,3.初始稳定、气敏响应和复原特性 任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被测气体的吸、脱作用，加热温度一般为200400。,气敏传感器的外形及其基本测量电路。,初始稳定：加热 稳定电阻输出特性（过渡时间和稳定电阻值）； 气敏响应：气敏元件接触被测气体 电阻值变化（过渡过程的时间）； 复原性：测试
3、结束 电阻值复原到洁净空气中保存状态的固有电阻值(Ra=103105)的时间。,8.1 半导体气体传感器,2018/9/13,7,气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。气敏传感器气敏元件的工作原理十分复杂，有不同的解释模型。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。,一、半导体气体传感器,2018/9/13,8,（一）工作原理,半导体气敏传感器的结构如右图所示。 一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。,2018/9/13,9,半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反
4、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处（化学吸附）。,2018/9/13,10,当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)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。例如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
5、原型气体或电子供给性气体。,2018/9/13,11,当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，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。图10-3表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。,2018/9/13,12,图 10-3 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,2018/9/13,13,由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体
6、气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。,2018/9/13,14,气敏元件工作时必须加热，其目的是： 加速被测气体的吸附、脱出过程； 烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用； 控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。 加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。,2018/9/13,15,气敏元件一般工作在200400的高温。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5；旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功
7、率，用表示。一般在(0.52.0)W范围。,2018/9/13,16,由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如下图所示。直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用， 但热容量小， 易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS109型气敏传感器均属此类结构。,2018/9/13,17,2018/9/13,18,旁热式气敏器件的结构及符号如下图所示，它的特点是将
8、加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离， 而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、 可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感器都采用这种结构。,2018/9/13,19,（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一 般为3040,8.2 接触燃烧式气敏传感器,接触燃烧式气敏传感器，一般用于石油化工、造船厂、矿山及隧道等场合，以检测石油类可燃烧性
9、气体的存放情况和防止危险事故发生。 一般将在空气中达到一定浓度、触及火种可引起燃烧的气体称为可燃性气体。引起爆炸浓度范围的最小值称为爆炸下限，最大值称为爆炸上限。 原理：接触式燃烧式气敏传感器结构与电路原理图如图4所示。将铂金等金属线埋设在氧化催化剂中边构成接触式燃烧式气敏传感器。金属圈中通以电流，温度保持在300600，可燃气体一旦接触传感器表面，燃烧热使金属丝进一步温度升高而电阻值增大。,8.2 接触燃烧式气敏传感器,1.结构原理 R=T=H/h=/h,2018/9/13,22,除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用
10、。另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。,2018/9/13,23,触媒,Al2O3载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a)元件的内部示意图,2018/9/13,24,2、检测原理 对铂丝线圈通以电流，使其保持高温（300400）。可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高
11、(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。,2018/9/13,25,空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,2018/9/13,26,接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃
12、烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1,上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,2018/9/13,27,就可以测得A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,1.0,A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两
13、点间连接电流计或电压计，,8.2 接触燃烧式气敏传感器,接触式燃烧气敏传感器的特点： 优点：对气体选择性好，线性好，受温度、湿度影响下，响应快。 缺点：对低浓度的可燃性气体的气体敏感度低，敏感元件受到催化剂的侵害后其特性锐减，金属丝易断。,8.3 热导式气体分析仪器,8.3.1 基本原理 8.3.2 热导池（检测器） 8.3.3 测量电路 8.3.4 热导式气体分析仪的应用,8.3.1 基本原理,不同种类、不同浓度的混合气体，由于组分含量，其热导率不同，在同样的加热条件下，其温度也不同，进而气敏元件电阻不同，就可以实现气体组分的含量分析。 根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量,通过介质微
14、元等温面传导的热流量，不仅与等温面处温度梯度有关， 而且与介质的导热系数成正比。（导热系数标志着物质的导热能力）,导热系数,对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。 固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小 气体的导热系数通常与温度有关。当温度升高时，分子运动加剧，导热系数随之增大。导热系数与温度的关系可近似写成,介质导热系数的温度系数。,表8.3.1 常见气体相对导热系数及温度系,混合气体的导热系数,由所含组分气体的导热系数共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分气体，其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按组成含量的加权平均值，即,根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系， 就
15、可以实现多组分气体的含量分析。,严格地讲，热导式气体成分分析仪只能解决双组分气体的含量分析，此时式（8.1.3）的具体形式为：,由于C1+C2=100%,只要测出混合气体的导热系数，就可以根据两组分的导热系数 求得待测组分的含量。,对上式微分，可得,仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比， 即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高。,对于烟气和大多数多组分混合气体，各组分之间满足：,（1）除待分析的组分外，其余组分的导热系数相等或接近，即接近的程度越高，仪器的测量精度越高。若个别气体的值与其它背景气体的值相差较远时，则被视为干扰成分，在分析之前要去掉。 （2）待分析组分与其余组分的导热系
16、数相差很大，以保证仪器有较高的灵敏度。,8.3.2 热导池（检测器）,1. 热导池的工作原理 2. 影响热导池特性的因素 3. 热导池的结构,1. 热导池的工作原理,热导池结构示意图,1-腔体； 2-电阻丝； 3-支承架； 4-绝缘； 5-引线； 6-气体出口；7-气体入口,当电阻元件通过电流I时，电阻吸收的功率将全部转换成热量,此热流量一方面使电阻元件本身温度升高，另一方面也向周围散失。 电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热。 当通过电阻元件的电流，气体成分以及热导池壁面温度一定时， 电阻元件温度上升到某一数值后，便会出现电源供给的热量与气体 的导热量相平衡的情况，以后电阻元件的
17、温度以及热导池内的温场 分布都将保持不变。 热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。 对于半径为r的等温面，单位时间气体的导热量为,热平衡时各等温面的导热量相当，dQ值与r无关，则式变为,对于热导池壁，当r=rc时，t=tc，代入上式可得积分常数C为,式中， rc热导池内壁半径。,式中，0混合气体在0时的导热系数； 混合气体导热系数的温度系数；,假定电阻丝r=rw表面处的温度t=tw,式中， m混合气体的平均导热系数；K与热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。,电阻丝的阻值是温度的函数,热导式气体分析仪热导池的特性方程,当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度tc固定时， 电阻丝的阻值只与
18、分析气体的导热系数有关。 测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析。,新型热导式分析仪,硅传感器热导池原理图,2. 影响热导池特性的因素,（1）电阻丝的参数 （2）工作电流 （3）腔壁温度的影响 （4）其它散热的影响,（1）电阻丝的参数,由式（8.2.14）可见，电阻丝的初始电阻R0，电阻丝材料的电阻温度系数的数值及其稳定性，对检测器的灵敏度和精度都有很大的影响。 一般R0的数值取大一些有利于灵敏度的提高。 增大R0的方法有两个： 增大电阻丝的长径比， 选用电阻率大的材料。,（2）工作电流,由式（8.1.14）可见，工作电流I的大小与电阻丝阻值R的关系很大，电流的大小及稳定性将严重影
19、响仪器的性能。 一般在热导式分析仪器中都有保持电流恒定的稳流装置，电流值应与电阻丝的阻值R0统一考虑，以保证热导池供给的热量符合工作要求。,（3）腔壁温度的影响,腔壁温度的变化会直接影响测量精度。 解决的办法有两种， 采用差值法（或称比较测量法），它是在同一块金属中加工两个参数完全一致的热导池，其中一个通入待分析气体，作为工作热导池； 通过（或封入）组分固定的参比气体，作为参比热导池。由于两个热导池经受大体相同的环境温度影响，当线路上采用差值测量时，二者所受温度的影响可以相互抵消。这种方法比较简单，在要求不高的场合可以使用。另一种方法是采用恒温法，把工作热导池和参比热导池都放在一个恒温装置中，
20、使两者经受的环境温度完全一致，并且恒定。很明显，这种方法精度比较高，但需要一套恒温装置，结构复杂，造价较高。,（4）其它散热的影响,热导池内存在其它散热损失包括：（1）辐射散热。（2）引线导热损失。（3）气体对流散热。（4）气体带走的热量。,3. 热导池的结构,热导池的四种结构型式,（2）电阻丝的结构及支撑方法,8.3.3 测量电路,被测气体浓度的变化，经过热导池检测器变成了电阻丝阻值的变化，阻值的变化可采用电桥来进行测量。 实际常用的测量电路有两种：(1) 直流单桥测量线路(2) 交流双桥测量线路,(1) 直流单桥测量线路,稳压器供电的直流单桥测量线路,(2) 交流双桥测量线路,8.3.4 热导式气体分析仪的应用,4应用 真空测量 可燃性气体的测量和报警 能够测量的气体种类很多，如H2，CO2，NH3，Cl2，Ar，He，SO2，H2中的O2，O2中的H2，N2中的H2等； 测量范围宽，待测组分含量在0%100%测量范围内均可使用。,
