气敏传感器电路图.
合集下载
气敏传感器及信号调理电路概要
3.2体电阻控制型传感器
• 体电阻控制型气敏元件，受到外界氧 分压强，或还原性气体的还原作用， 致使晶体中的结构缺陷发生变化，随 之体电阻发生变化。这种变化是可逆 的，当待测气体脱离后气敏元件又恢 复原状。
氧化铁系气敏元件 γ -Fe2O3气敏元件
• 当它与气体接触时，随着气体浓度的增加形 成Fe2+离子，而变成Fe3O4，使器件的体电 阻下降。当被测气体脱离后，它又被氧化， 即恢复原状态。
ρ —检测元件的电阻温度系数； Δ T—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； Δ H—可燃性气体接触燃烧的发热量； C—检测元件的热容量； Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]； α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
RF1 RF R1 E E0 RF1 RF2 RF R1 R2
因为Δ RF很小，且RF1•R1=RF2•R2
R1 E E0 R1 R2 RF1 RF2
RF2 RF1
接触燃烧式气敏传感器
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(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。
--主要用于可燃性气体的检 测
MOS二极管气敏器件的C—U特性
•
其漏极电流ID有栅压控制，将栅 极和漏极短路，在源极和漏极之间加 电压，ID的计算式为ID=β（UG-UT）2， 始终UT为ID流过时最小临界电压值。 • 在测量中，UT会随空气中所含H2浓度 的增高而降低。
6.1气敏传感器基本原理及测量电路.pptx
阻的特性影响很大，因此加热器的加热电压必须恒定。 如前所述，MQN型气敏传感器使用时气敏电阻工作时必须加热到200300℃，
其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁 作用）。
— 20 —
8. 气体检测使用注意事项
2）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电
测量转换电路
据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了
测量误差。
汽车尾气分析
二氧化钛氧浓度传感器可 用于汽车或燃烧炉排放气 体中的氧浓度测量。
观察右图看说明非线性特性对 浓度超限报警是否有利？
气敏半导体的灵敏度特性曲线
— 18 —
— 19 —
8. 气体检测使用注意事项
1）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电
阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会 不同，需要进行温度补偿。
如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电 阻Rt 起温度补偿作用。
— 21 —
8. 气体检测使用注意事项
• 温度补偿中实用的热敏电阻工作原理 • 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测
气敏传感器类型：
半导体气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 电化学气敏传感器
2.气敏传感器外形
— 5—
半导体气敏传感器应用最多。它的 应用主要有：一氧化碳气体的检测、 瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟 利昂的检测、呼气中乙醇的检测、 人体口腔口臭的检测等等。
— 6—
其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁 作用）。
— 20 —
8. 气体检测使用注意事项
2）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电
测量转换电路
据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了
测量误差。
汽车尾气分析
二氧化钛氧浓度传感器可 用于汽车或燃烧炉排放气 体中的氧浓度测量。
观察右图看说明非线性特性对 浓度超限报警是否有利？
气敏半导体的灵敏度特性曲线
— 18 —
— 19 —
8. 气体检测使用注意事项
1）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电
阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会 不同，需要进行温度补偿。
如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电 阻Rt 起温度补偿作用。
— 21 —
8. 气体检测使用注意事项
• 温度补偿中实用的热敏电阻工作原理 • 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测
气敏传感器类型：
半导体气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 电化学气敏传感器
2.气敏传感器外形
— 5—
半导体气敏传感器应用最多。它的 应用主要有：一氧化碳气体的检测、 瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟 利昂的检测、呼气中乙醇的检测、 人体口腔口臭的检测等等。
— 6—
气敏传感器
BZ
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管Biblioteka 气敏传感器BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
2.3 工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管Biblioteka 气敏传感器BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
2.3 工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
气敏和湿敏电阻传感器图片及应用
5—补偿电阻 6－陶瓷片 7－TiO2氧敏电阻 8－进气口
9－引脚 2021/3/18
14
氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
2021/3/18
15
汽车尾气分析
2021/3/18
16
有毒气体传感器的使用
2021/3/18
17
湿敏电阻传感器
绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每 一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。
a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路
1—引脚 2—塑料底座 3—烧结体 4—不锈钢网罩 5—加热电极 6—工作电极 7—加热回路电源 8—测量回路电源
2021/3/18
3
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
2021/3/18
5
酒精传感器的选择性
2021/3/18
NH3传感器
2021/3/18
11
二、二氧化钛氧浓度传感器
半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体， 对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的 氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧 化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
2021/3/18
12
二、二氧化钛氧浓度传感器
气敏电阻
使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可 以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量， 再转换为电流、电压信号。
气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和 测量氧气浓度的两大类。
一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子， 化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体， 例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然 气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO 或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活 剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。
气敏传感器ppt课件
且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。
(1) MOS二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程 是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100
nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金 属薄膜，作为栅电极，如图9-5(a)所示。
M(P d)
气敏传感器
提问：同学们都会知道哪些是有毒有害的气体呢？ 煤气、CO、甲烷、烟雾 是的，这些气体当达到一定浓度的时候都会危机到我们的生命。 2、那我们要如何预防有害气体对我们的生命安全造成的伤害呢？ 装个对这些有害气体敏感的报警器。这章要介绍的气敏传感器就是
这种报警器电路里一个很重要的器件。接下来我们就开始介绍气 敏传感器。
规则总结：
氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降， 电阻增加
还原型气体＋N型半导体：载流子数增加， 电阻减小
氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加， 电阻减小
还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
4 、半导体气敏传感器类型及结构
1. 电阻型半导体气敏传感器
电 极 (铂 丝 ) 氧 化 物半 导 体
Si O2 P—Si
C
Ca Cs
a b
O V
(a)
(b)
(c)
图 9-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
(2)MOS场效应晶体管气敏器件
MOSFET)的结构效应晶体管(PdD
Al
Si O2
N＋
N＋
P—Si
图 9-6 钯—MOS场效应晶体管的结构
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。
气敏传感器
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
Hale Waihona Puke 2.3 工作原理元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管
气敏传感器
BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
测量电路：
MQ-4传感器外形：
谢谢！
半导体气敏元件的特性参数：
（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件( 电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～ 105)Ω范围。 测定固有电阻值Ｒａ时 , 要求必须在洁净空气环境中进行。由于 经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，
气敏传感器的电路设计
2
酒精传感 器工作原理
本实验采用的是适用于测试酒精浓度的系列气 敏元件，其基本结构如图 1 所示。 气敏元件由微型三氧化二铝，陶瓷管，二氧化 锡敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定
车” 及“醉酒驾车” 极易发生道路交通事故，严 在不锈钢网制成的腔体内。气敏元件 A .A .B .B 并 重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮 � 联成 A B 两端用于测试，另外两个管脚 为加热电 酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经过血液循 源接线。
SUN Q （T
U
， YA N Z T
， LI U M 300072 ）
� � � � � � � � � � � � � � � � � � ： � � � T � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � .T ， � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � .T . ： ； ； 环，约有 90% 的酒精通过肺部呼气排出， 通过测量 呼气中的酒精含量，就可判断其醉酒程度。因此如 何使交管人员对每个司机的体内酒精含量有一个量 化的测量值，以便确定司机是否酒后驾车在交通事 故处理中有重要的意义。酒精气敏传感器恰好能检 测出呼气中的酒精含量，通过放大电路放大处理， 可得到与酒精气体浓度成线性关系的电压信号，通 过转换电路可直接输出酒精浓度值。
把阻值变化变成电压变化，具体应用时，将输出信 � � � � � � � � 放大电路的输出 = （ 1 + 5 3 ） 6（ 4 + � 3 号 （ 电压） 经过转换，显示相应的气体浓度。 � � � � ），通常取 = 、 = ，所以
气敏传感器
1.3 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
表面电阻控制型气敏传感器的工作原理 ㈠表面电导理论 表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体 种类及浓度的不同增大或减小。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）。吸附分子和材料表面 层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子， 同时影响半导体材料表面层的性质。
体电阻控制型
半导体气敏传感器 二极管式气敏传感器 非电阻控制型 MOS二极管式气敏传感器 Pd-MOSFET气敏传感器
图1：半导体式气敏传感器的分类
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
正是由于吸附的气体分子从材料表面得到或者给 予电子，使表面层的阻值发生了改变，我们分别考虑 以下两种情况：
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， 半导体表面呈现空间电荷区。 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。
图6 ：输出电压与温度的关系
2.2 半导体传感器在实际电路中的应用