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氣敏傳感器原理

2009年11月23日 11:44 srfitnesspt.com 作者:佚名 用戶評(píng)論(0
關(guān)鍵字:氣敏(10038)
氣敏傳感器原理:
  本實(shí)驗(yàn)所采用的SnO2(氧化錫)本導(dǎo)體氣敏傳感器屬電阻型氣敏元件;它是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氯化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化:若氣濃度發(fā)生,其阻值又將變化,根據(jù)這一特性,可以從阻值的變化得知,吸附氣體的種類和濃度.
  教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)。由于氣體與人類的日常生活密切相關(guān),對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段,氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達(dá)0.8~1.15 ml/L時(shí),就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促,脈搏加快,甚至?xí)炟实葼顟B(tài),達(dá)1.84ml/L時(shí)則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險(xiǎn),因此對(duì)一氧化碳檢測(cè)必須快而準(zhǔn)。利用SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料,通過顆粒超微細(xì)化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒,并以此為基體摻雜一定催化劑,經(jīng)適當(dāng)燒結(jié)工藝進(jìn)行表面修飾,制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件,能夠探測(cè)0.005%~0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃?xì)怏w、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進(jìn)行探測(cè)的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層),使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流,保持300℃~400℃的高溫,此時(shí)若與可燃性氣體接觸,可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒,因此鉑絲的溫度會(huì)上升,鉑絲的電阻值也上升;通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小,就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機(jī)凝膠等)電解質(zhì),其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流,也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點(diǎn),應(yīng)用極其廣泛;下面重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器及其氣敏元件。
  半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減??;P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料,屬于N型半導(dǎo)體,在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧,形成氧的負(fù)離子吸附,使半導(dǎo)體中的電子密度減少,從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w(如CO等)時(shí),原來吸附的氧脫附,而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面;氧脫附放出電子,可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子,從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加,電阻值下降??扇夹詺怏w不存在了,金屬氧化物半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附,使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。
  目前國產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式,加熱絲和測(cè)量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi);旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底,管內(nèi)穿加熱絲,管外側(cè)有兩個(gè)測(cè)量極,測(cè)量極之間為金屬氧化物氣敏材料,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。
  氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流,測(cè)量回路電壓,靈敏度,響應(yīng)時(shí)間,恢復(fù)時(shí)間,標(biāo)定氣體(0.1%丁烷氣體)中電壓,負(fù)載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè),屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高,穩(wěn)定性較好,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短,市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。QM-N5氣敏元件參數(shù)如下:標(biāo)定氣體(0.1%丁烷氣體,最佳工作條件)中電壓≥2V,響應(yīng)時(shí)間≤10S,恢復(fù)時(shí)間≤30S,最佳工作條件加熱電壓5V、測(cè)量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K,允許工作條件加熱電壓4.5~5.5V、測(cè)量回路電壓5~15V、負(fù)載電阻0.5~2.2K。下圖為氣敏元件的簡單測(cè)試電路(組成傳感器),電壓表指針變化越大,靈敏度越高;只要加一簡單電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。常見的氣敏元件還有MQ-31(專用于檢測(cè)CO),QM-J1酒敏元件等。

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