气敏传感器及其工作原理

指导老师：雷家珩汇报者：周华汇报时间：2011.11.2

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目录

•气敏传感器定义•气敏传感器分类•气敏传感器工作原理•气敏传感器的应用•气敏传感器研究现状与发展趋势•参考文献2

1 气敏传感器定义

气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

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2 气敏传感器分类

电阻型半导体式气敏传感器非电阻型接触燃烧式型电容式绝缘体气敏传感器光干涉式气敏传感器气敏传感器热传导式气敏传感器恒电位电解式电化学气敏传感器伽伐尼电池式红外线吸收散式气敏传感器4

3 气敏传感器工作原理

3.1 半导体气敏传感器工作原理

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半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网

等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。

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半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧

化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附

处(化学吸附)。

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3.1 半导体气敏传感器工作原理

这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。

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图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示

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3.1 半导体气敏传感器工作原理

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,将使载流子减少,而使电阻增大。相反,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,将使载流子增多,使电阻下降(见图3)。当这种半导体气敏传感器与气体接触时,其阻值发生变化时间(称响应时间)不到1min。相应的N型材料有SnO2、ZnO、TiO2、W2O3等,P型材料有MoO2、CrO3等。空气中的氧成分大体上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中,器件表面将产生吸附作用,器件的阻值将随气体浓度而变化,从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度(见图4）。

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3.1 半导体气敏传感器工作原理

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图3 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化

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3.1 半导体气敏传感器工作原理

从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。

图4

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3.2 接触燃烧式气敏传感器工作原理

接触燃烧式气敏传感器的检测元件是在铂丝线圈(Ф0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状, 经烧结而成, 其外表敷有铂、钯等稀有金属的催化层, 其结构如图5所示。对铂丝线圈通以电流, 使检测元件保持高温(300~400℃),此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝线圈的温度就会上升, 铂丝线圈的电阻值也上升。测量铂丝电阻变化的大小就可以知道可燃性气体的浓度。

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图5 接触燃烧气敏传感器的结构10

3.2 接触燃烧式气敏传感器工作原理

在实际应用中, 常采用电桥测量电路,如图6所示。在电桥中接一个补偿器, 起到平衡电桥作用, 补偿器的结构与检测元件基本相同, 只是没有敷设催化层。当空气中有一定浓度可燃气体时, 传感器由于燃烧而阻值上升, 电桥失去平衡, 有电压输出, 起到检测作用。

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图6电桥测量电路

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3.3 电化学气敏传感器工作原理

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电化学气体传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量。其中气敏电极测量一些溶解在溶液中气体的含量或者用于环境监测,如O2、CO2、SO2、NH3、HCN、HF等气体,尤其是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶劣环境和高浓度的场合。这些气体传感器结构简单,选择性好,而且能快速响应, 便于自动测量和控制。电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽戈尼电池方式工作。有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分为电位型和电流型。电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。

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3.3 电化学气敏传感器工作原理

3.3.1 恒定电位电解式传感器原理

如图7所示, 它是用透气性隔膜、工作电极、对电极、参照电极和电解质溶液组成的密封结构的合成树脂容器。电路的功能是加电压于传感器电解液中的两个电极,使所测气体进行氧化或者还原, 测量气体电解时产生的电流,然后推算出气体的浓度。加在传感器上的恒定电位称为给定电位, 但由于传感器的阻抗随其结构而定, 故检测到气体并产生电解电流时, 给定电位就会发生变化。给定电位变化时, 电极的电解反应就不会稳定, 从而导致传感器的输出也不稳定。因此在传感器中设置一个没有电解电流的第三电极(参考电极R) ,通过控制使工作电极(W)和参考电极之间的电位保持一定, 故工作电极和对电极(C)的电位保持一定, 构成恒电位仪电路。

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3.3.1 恒定电位电解式传感器原理

图7 恒电位电解式气敏传感器结构

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3.3.1 恒定电位电解式传感器原理

图8为恒定电位电解式传感器的工作原理图, 传感器中参考电极为R, 电池E提供基准电压, R确定参考电极电压, 同时由外部电压保持电路也确定了工作电极(W)与对电极(C)相对于R之间的电压。

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图8 恒定电位电解式传感器的工作原理

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3.3.1 恒定电位电解式传感器原理

当传感器检测到毒气后, 毒气在阴阳电极间通过内部电解池发生氧化还原的化学反应, 在阴极(W)发生还原反应, 失去电子; 在阳极(C)发生氧化反应, 得到电子, 因此W-C间电位随即发生了变化, C 端电位上升,W端电位下降。运算放大器A1构成了R和C端的负反馈电路, 调整参考极R的电位, 直到R-C端电位差保持到原状态恒定电位即可。W极电化反应产生的电流, 经过R2负反馈调节, 即可从输出端Uo得到毒性气体浓度与电解电流的线性比率曲线。气敏传感器的灵敏度与温度有着很大的关系, 无论是同类敏感材料的不同掺杂, 还是对于不同气体敏感的不同敏感材料, 其阻抗都随温度而发生变化, 因此还可以增加一部分温度调节电路, 调节热敏电阻可以避免传感器受到温度变化的影响。

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3.3.2 伽戈尼电池式气体传感器原理

这种传感器本身就是电池, 故不需要外部加电压。它主要用来检测氧化物。图9是用来测氧的伽戈尼电池式气体传感器结构图。

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图9 伽戈尼电池式气体传惑器结构

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3.3.2 伽戈尼电池式气体传感器原理

在塑料容器的一侧安置聚四氟乙烯膜和透气性良好的膜，靠近该膜的里面设置阴极（铂、金等）, 容器内部安置阳极（铅、镉等）再充以氢氧化钾作为电解质。

在阴极, 氧按下式进行还原反应：

O2+2H2O+4e-→4OH-在阳极，产生以下反应：2Pb→2Pb2++4e-2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2

这样, 就产生了电解电流。这个电流与气体浓度成比例。将此电流在负载电路的两端变成电压, 经放大用以表示气体浓度。

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3.4 光干涉式气敏传感器工作原理

光波干涉计用于测定透明的固体、液体、气体等的光的折射率，这种方法由来已久，已广泛应用于已知折射率的液体和气体混合物组成的检测。应用光波干涉计式气敏传感器的气体测定器，亦称气体检测器。光由气体中通过时，其折射率随气体的种类、组成、温度、压力等而变化。若气体的种类、温度、压力等为恒定，则通过测定混合气体的折射率，就可知道2成分混合气体的混合比率(气体成分的浓度)。

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