1、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)關(guān)于氣敏電阻式傳感器電阻式傳感器簡(jiǎn)介:隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CADCAD）、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、光纖技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，獲取各種信息的傳感器已經(jīng)成為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要技術(shù)工具，越來越成為信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在當(dāng)今信息時(shí)代掌握傳感器及檢測(cè)技術(shù)尤為重要。定義:將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。電阻式傳感器是把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應(yīng)變式傳感器電位器式傳感器（見位移傳感器）和鎰銅壓阻傳感器等。電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、加速度、扭

2、矩等測(cè)量?jī)x表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國防等部門進(jìn)行自動(dòng)稱重、過程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化不可缺少的工具之一。它在非電量檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。電阻式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：電阻式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精度較高、線性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但是它受環(huán)境條件如溫度等影響較大，有分辨率不高等不足之處。電阻式傳感器的分類：課本上介紹的電阻式傳感器主要有電位器，電阻應(yīng)變片，測(cè)溫?zé)犭娮?，氣敏電阻及濕敏電阻等。下面我們就單?duì)氣敏電阻式傳感器分析一下。氣敏電阻，0 氣敏電阻：利用某些半導(dǎo)體吸收某種氣體后發(fā)生氧化還原反應(yīng)制成，將被檢測(cè)到的氣體（特別是可燃性氣體）的成分或濃度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。主要成分是金

3、屬氧化物，主要品種有:金屬氧化物氣敏電阻，復(fù)合氧化物氣敏電阻，陶瓷氣敏電阻等。簡(jiǎn)介：在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏：火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。工作原理：氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如 SnO2SnO2、ZnQFe2O3MgONiOZnQFe2O3MgONiO、BaTiO3Ba

4、TiO3 等都具有氣敏效應(yīng)。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半接觸燃燒式氣體傳感器結(jié)構(gòu)接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)1.催化劑層1氧化租望京子工柏絲導(dǎo)體氣敏傳感器等。I II I接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉗金屬絲（也可表面涂鉗、鉗等稀有金屬催化層），使用時(shí)對(duì)鉗絲通以電流，保持 300C300C400C400C 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，鉗絲的溫度會(huì)上升，鉗絲的電阻值也上升；通過測(cè)量鉗絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。(6)原電池式氣體傳感器電化學(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

5、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)。氣敏二極管氣敏二極管半導(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(jiǎn)單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣?導(dǎo)體式敏傳感器具1L 局&變”瞽工用裝占工外光正引士總聯(lián)?-檢限 6 片原?遮式潁里西毒獵均L密剎燃工?解濾3-3較審福4中信，作用?福?百國JP4M1SP4M1S 氣敏二極莒結(jié)構(gòu)泛；半導(dǎo)體氣敏元件有 N N 型和 P P 型之分。N N 型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減小；P P 型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象 SnO2SnO2 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，屬于 N N 型半導(dǎo)體，在 200200300c300c

6、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 COCO 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。氣敏原件：目前國產(chǎn)的氣敏元件有 2 2 種。直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)直熱式氣喊端件結(jié)構(gòu)及符號(hào)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)；(1

7、)(1)電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)(b住傳再器的題件嶂曲工口熱爆工1、9、口.?械工幗S體溫蓑4般璃(0)攜tSS!氣址元器怦Cb馥膜型輪元器件f:厚原型黑件Cd)廛展型黑怦給構(gòu)另一種是旁熱式，這種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。以 SnO2SnO2 氣敏元件為例， 它是由 0.1-10um0.1-10um 的晶體集合而成,這種晶體是作為 N N 型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時(shí)，電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移，半導(dǎo)體的載流子濃度c”結(jié)構(gòu)(b)符號(hào)增加，

8、因此電導(dǎo)率增加。而對(duì)于 P P 型半導(dǎo)體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時(shí)其電導(dǎo)率則減小。氣敏電阻的溫度特性如圖 2-12-1 所示，圖中縱坐標(biāo)為靈敏度，即由于電導(dǎo)率的變化所引起在負(fù)載上所得到的值號(hào)電壓。圖 2“氣檄傳感器靈敏度 9 溫度的美系由曲線可以看出，SnO2SnO2 在室溫下雖能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時(shí)需要加溫。此外，在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉗、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以獲得低溫時(shí)的靈敏度，也可增強(qiáng)對(duì)氣體種類的選擇性。氣敏半導(dǎo)體的靈敏度較高，在被測(cè)氣體濃度較低時(shí)有較大的變化，而當(dāng)被測(cè)

9、氣體濃度較大時(shí)，其電阻率的變化逐漸趨緩，有如圖是二氧化氮濃度與電阻率的關(guān)系圖最后介紹一下二氧化鈦氧濃度傳感器；半導(dǎo)體材料二氧化鈦屬于 N N 型半導(dǎo)體，對(duì)氧化性氣體（如氧氣）十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍環(huán)境氧氣濃度較大時(shí),氧原子進(jìn)去二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值變大。上述過程是可逆的，當(dāng)氧氣濃度下降時(shí)，氧原子析出，電圖 3TiO2 電阻與 Po2關(guān)系阻值減小。如圖是較大的非線性。二氧化鈦的電6641o.o.aOLaI50n7ML阻與強(qiáng)氧化劑 po2po2 的關(guān)系。發(fā)展前景：近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能

10、、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有機(jī)、無機(jī)、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機(jī)理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。現(xiàn)在這方面的工作主要有兩個(gè)方向：一是利用化學(xué)修飾改性方法，對(duì)現(xiàn)有氣體敏感膜材料進(jìn)行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對(duì)成膜工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高氣體傳感器的穩(wěn)定性和選擇性；二是研制開發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對(duì)不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。由于有機(jī)高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡(jiǎn)單、易于與其它技術(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。隨著人們生活水平的不斷提高和對(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害氣體的探測(cè)，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測(cè)以及對(duì)食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都