新传感器与敏感材料课件：第三章4(气敏陶瓷)（第一章）.ppt

1、第三章 敏感陶瓷公衍生公衍生中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉） 材料与化学学院材料与化学学院第五节第五节 气敏陶瓷气敏陶瓷69/23.5 气敏陶瓷气敏陶瓷一. 概述二. 气敏陶瓷的基本特性三. 几种常用的气敏传感器四. 气敏陶瓷传感器的应用69/33.5.1 概述概述随着液化石油燃料的普及，各种随着液化石油燃料的普及，各种可燃气体可燃气体、有毒气体有毒气体以及以及它们的混合气体它们的混合气体在工矿企业部门、科学研究部门和民生日在工矿企业部门、科学研究部门和民生日用上得列越来越普遍的使用。用上得列越来越普遍的使用。但随之而来的是但随之而来的是大气污染大气污染、公害公害、火灾火灾、爆炸事故爆

2、炸事故等不断等不断增加，成为急需解决的问题，特别在增加，成为急需解决的问题，特别在石油石油、化工化工、煤矿煤矿等等工业部门以及国防部门工业部门以及国防部门，对于对于可燃、易爆、有毒可燃、易爆、有毒等气体的等气体的检测，监控、报警防火等需要更为迫切检测，监控、报警防火等需要更为迫切，各种，各种气敏元件气敏元件就就是由于这些需要而迅速发展起来的。是由于这些需要而迅速发展起来的。69/41. 可检测气体的种类可检测气体的种类目前，目前， 已开发的气体传感器能够检测气体的种已开发的气体传感器能够检测气体的种类和主要检测场所如下表所示类和主要检测场所如下表所示。 可检测气体的种类与性质可检测气体的种类与

3、性质69/5气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所 69/6为了便于气体传感器的应用，下表列出了部分可燃性气体为了便于气体传感器的应用，下表列出了部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数。的爆炸极限及允许浓度等综合参数。 可燃性气体是指在空气中达到一定浓度、可燃性气体是指在空气中达到一定浓度、 触及火种可引起燃触及火种可引起燃烧的气体。烧的气体。 当可燃性气体达到爆炸浓度时，触及火种会引起爆炸。当可燃性气体达到爆炸浓度时，触及火种会引起爆炸。 可引起爆炸的浓度范围的最小值称为可引起爆炸的浓度范围的最小值称为爆炸下限爆炸下限； 最大值称为最大值称

4、为爆炸上限爆炸上限。 2. 可燃性气体的爆炸极限及允许浓度可燃性气体的爆炸极限及允许浓度69/7部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数表部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数表 69/8由于需要检测的气体的种类、组成、浓度、用途各不由于需要检测的气体的种类、组成、浓度、用途各不相同，分析和检测的手段也随之不同。相同，分析和检测的手段也随之不同。 电气化学法电气化学法、光学测量法光学测量法、色谱分离法色谱分离法等都已有多年的历史。但这等都已有多年的历史。但这些方法共同的缺点是些方法共同的缺点是测定装置复杂，使用维护难度大，成本较高测定装置复杂，使用维护难度大，成本较高，因而不易推广。

5、因而不易推广。检测方法检测方法3. 主要检测方法主要检测方法半导体法半导体法则是利用半导体材料制成小体积的或膜状的气敏元件来检则是利用半导体材料制成小体积的或膜状的气敏元件来检测的。由于这些半导体气敏元件测的。由于这些半导体气敏元件灵敏度高、结构简单、使用方便、灵敏度高、结构简单、使用方便、价格低廉价格低廉。在一些国家中，采用半导体气敏元件的已占这些检测器。在一些国家中，采用半导体气敏元件的已占这些检测器的半数以上。的半数以上。 69/9将气体参量转化成电信号的陶瓷材料将气体参量转化成电信号的陶瓷材料。它能以。它能以物理或物理或化学吸附化学吸附的方式吸附气体分子。气敏陶瓷大致可分为的方式吸附气

6、体分子。气敏陶瓷大致可分为半导体式半导体式、固体电解质式固体电解质式及及接触燃烧式接触燃烧式三种：三种：典型的气敏半导体陶瓷主要有：典型的气敏半导体陶瓷主要有： 氧化锌氧化锌(ZnO)系气敏陶瓷系气敏陶瓷 氧化锡氧化锡(SnO2)系气敏陶瓷系气敏陶瓷 氧化铁氧化铁(Fe2O3)系气敏陶瓷系气敏陶瓷4.4.气敏陶瓷的主要分类气敏陶瓷的主要分类 69/101）ZnO系气敏陶瓷 ZnO气敏元件的气敏元件的工作温度较高（工作温度较高（450），其，其灵敏度灵敏度和选择性也不高和选择性也不高。用。用Sb2O3、Cr2O3等掺杂并添加活性等掺杂并添加活性催催化剂化剂可提高其对气体的选择性。可提高其对气体的

7、选择性。 ZnO陶瓷气敏元件对各种气体的灵敏度和选择性与催陶瓷气敏元件对各种气体的灵敏度和选择性与催化剂的种类有关化剂的种类有关，可以通过掺杂不同的催化剂，来获得对，可以通过掺杂不同的催化剂，来获得对不同气体的选择性检测。不同气体的选择性检测。69/11掺掺Pt的的ZnO气敏元件的灵敏度气敏元件的灵敏度掺掺Pd的的ZnO气敏元件的灵敏度气敏元件的灵敏度69/122）SnO2系气敏陶瓷 SnO2气敏元件可在气敏元件可在较低的温度较低的温度下使用，其下使用，其最高灵敏最高灵敏温度为温度为300，通过添加，通过添加催化剂催化剂可降低其工作温度。可降低其工作温度。 SnO2气敏陶瓷对各种可燃气体都具有

8、气敏特性，其气敏陶瓷对各种可燃气体都具有气敏特性，其缺点是缺点是选择性差选择性差，掺杂贵金属，掺杂贵金属Pt、Pd及其氧化物后，对及其氧化物后，对气体的灵敏度和选择性都有明显的提高。气体的灵敏度和选择性都有明显的提高。SnO2气敏元件是生产量最大，应用最广的气敏元件。气敏元件是生产量最大，应用最广的气敏元件。69/13SnO2系气敏陶瓷系气敏陶瓷以以SnO2为基材为基材，加入催化剂、加入催化剂、黏结剂等黏结剂等，按照，按照常规的陶瓷工艺方法常规的陶瓷工艺方法制成的。制成的。粉料越细粉料越细，比表面积越大比表面积越大，对，对被测气被测气体越敏感体越敏感。 69/14u SnO2元件阻值变化与气体

9、浓度成指数关系，在低浓度范围元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围内这种变化十分明显，因此，内这种变化十分明显，因此，对低浓度气体检测非常适宜对低浓度气体检测非常适宜。u SnO2材料的物理化学材料的物理化学稳定性好稳定性好，耐腐蚀，寿命长。，耐腐蚀，寿命长。u SnO2气敏元件对气体的检测是气敏元件对气体的检测是可逆可逆的，而且吸附、脱附时的，而且吸附、脱附时间短。间短。u SnO2元件结构简单，成本低，可靠性好，耐震动和冲击性元件结构简单，成本低，可靠性好，耐震动和冲击性能好。能好。u SnO2气体检测不需要复杂设施，待测气体可通过气敏元件气体检测不需要复杂设施，待测气体可通过气敏

10、元件电阻值的变化直接转化成电信号，且阻值变化大，用简单电电阻值的变化直接转化成电信号，且阻值变化大，用简单电路就可实现检测。路就可实现检测。SnO2系气敏陶瓷的优点69/153）Fe2O3系气敏陶瓷 氧化铁系气敏陶瓷是氧化铁系气敏陶瓷是20世纪世纪80年代发展起来的，年代发展起来的，氧氧化铁系气敏陶瓷化铁系气敏陶瓷不需要添加贵金属催化剂不需要添加贵金属催化剂就可以制成灵就可以制成灵敏度高、稳定性好的气敏陶瓷元件。敏度高、稳定性好的气敏陶瓷元件。 以以 -Fe2O3为基的液化为基的液化 石油气报警器和以石油气报警器和以-Fe2O3为为基的煤气报警器已进入实用化阶段。基的煤气报警器已进入实用化阶段

11、。 69/161. 气敏元件的主要性能指标气敏元件的主要性能指标气敏陶瓷元件的主要性能指标有：气敏陶瓷元件的主要性能指标有：初始电阻初始电阻、灵敏度灵敏度、响响应时间应时间、恢复时间恢复时间、工作温度工作温度和和寿命寿命。 1) 1)初始电阻初始电阻 初始电阻初始电阻指在室温下，清洁空气中或一定浓度的检测指在室温下，清洁空气中或一定浓度的检测气体中气敏元件的电阻值。气体中气敏元件的电阻值。 3.5.2 气敏陶瓷的基本特性气敏陶瓷的基本特性69/17 灵敏度灵敏度表示气敏元件对被测气体的敏感程度。表示气敏元件对被测气体的敏感程度。 通常用通常用元件在清洁空气中的电阻元件在清洁空气中的电阻与与在一

12、定浓度被测气体中在一定浓度被测气体中的电阻的电阻之比来表示，也可以用被测气体在两个浓度下的电阻之比来表示，也可以用被测气体在两个浓度下的电阻之比来表示，即：之比来表示，即：式中：式中：R Rairair气敏元件在清洁空气中的电阻值；气敏元件在清洁空气中的电阻值； R Rgasgas通入被测气体时气敏元件的电阻值；通入被测气体时气敏元件的电阻值； R Rc1c1被测气体浓度为被测气体浓度为0.1%0.1%时气敏元件的电阻值；时气敏元件的电阻值； R Rc2c2通入被测气体时气敏元件的电阻值。通入被测气体时气敏元件的电阻值。2)2)灵敏度灵敏度69/183) 3)响应时间响应时间 响应时间响应时间

13、表示气敏元件对被测气体的表示气敏元件对被测气体的响应速度响应速度。一般用从。一般用从通入被测气体之后到元件电阻值稳定时所需要的时间表示。通入被测气体之后到元件电阻值稳定时所需要的时间表示。4) 4)恢复时间恢复时间 恢复时间恢复时间是指被测气体解吸所需要的时间，也称是指被测气体解吸所需要的时间，也称脱附时间脱附时间。 它表示对被测气体解吸的快慢。它表示对被测气体解吸的快慢。恢复时间的长短对气敏元件的响应特性有直接影响。恢复时间的长短对气敏元件的响应特性有直接影响。69/195) 5)工作温度工作温度 气敏元件多属化学敏感元件，因此需要创造一个适当高的温度气敏元件多属化学敏感元件，因此需要创造一

14、个适当高的温度条件，元件才能正常工作。条件，元件才能正常工作。对工作温度的要求是对工作温度的要求是：在工作温度下，元件的阻值比较稳定，：在工作温度下，元件的阻值比较稳定，在加热温度波动时，不致使元件阻值波动，同时在接触被测气在加热温度波动时，不致使元件阻值波动，同时在接触被测气体时，元件的灵敏度高。体时，元件的灵敏度高。6) 6)寿命寿命 元件能正常工作的时间称为它的寿命元件能正常工作的时间称为它的寿命。影响寿命的因素有影响寿命的因素有催化剂的老化、中毒催化剂的老化、中毒，及气敏陶瓷材料在使，及气敏陶瓷材料在使用过程中的用过程中的晶粒长大晶粒长大等。等。 69/20半导体陶瓷通常都是某种类型的

15、金属氧化物，通过掺杂或非化半导体陶瓷通常都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导化。学计量比的改变而使其半导化。其气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表面的附着，产生某种其气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表面的附着，产生某种化学反应化学反应( (如氧化、还原反应如氧化、还原反应) )、与、与表面产生电子的交换表面产生电子的交换( (俘获或俘获或解放电子解放电子) )等作用来实现的，这种气敏现象称之为等作用来实现的，这种气敏现象称之为表面过程表面过程。尽管这种表面过程在不同的半导瓷及不同的气氛中作用不尽相尽管这种表面过程在不同的半导瓷及不同的气氛中作用不尽相同，但大多与同，但

16、大多与陶瓷表面氧原子陶瓷表面氧原子( (离子离子) ) 的活性的活性( (结合能结合能) )的情况密切的情况密切相关。相关。 2. 气敏元件的工作原理气敏元件的工作原理69/21半导体气敏传感元件有半导体气敏传感元件有N N型和型和P P型之分。型之分。N N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P P型阻值随气型阻值随气体浓度的增大而增大。体浓度的增大而增大。 象象SnOSnO2 2金属氧化物半导体气敏材料，属于金属氧化物半导体气敏材料，属于N N型半导体，在型半导体，在200200300300温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，温度它吸附空气中的

17、氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电导率增加。使半导体中的电子密度减少，从而使其电导率增加。69/22当遇到有能供给电子的可燃气体当遇到有能供给电子的可燃气体( (如如COCO等等) )时，时，原来吸附的原来吸附的氧脱附氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；导体表面；氧脱附放出电子，氧脱附放出电子，可燃性气体以正离子状态吸可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体

18、又会可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复自动恢复氧氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。基本原理基本原理69/23以以SnO2气敏元件为例，气敏电阻的温度特性如图所示，图中纵坐气敏元件为例，气敏电阻的温度特性如图所示，图中纵坐标为标为灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的信号电灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的信号电压压。由曲线可以看出：。由曲线可以看出：SnOSnO2 2在室温下虽能吸附气体，但其在室温下虽能吸附气体，但其电导率变

19、化不大。但当温度增加后，电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要敏元件在使用时需要加温加温。 此外，在气敏元件的材料中加入此外，在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。的选择性。 0t( )U(mV)100100200200300300400400500500600气敏电阻灵敏度与温度的关系69/24气敏半导瓷的气敏半导瓷的气敏特性气敏特性和和气体的吸附作

20、用气体的吸附作用及及催化剂的催化剂的催化作用催化作用有密切关系。有密切关系。 气敏材料对气体的吸附可以分为：气敏材料对气体的吸附可以分为： 物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附两种。两种。69/25物理吸附物理吸附是指气体在气敏材料表面上的分子吸附状态，气体与材是指气体在气敏材料表面上的分子吸附状态，气体与材料表面之间的结合力主要是范德华力，它们之间没有电子交换，料表面之间的结合力主要是范德华力，它们之间没有电子交换，不形成化学键。不形成化学键。化学吸附化学吸附是指气体在材料表面上的离子吸附状态，气体与材料表是指气体在材料表面上的离子吸附状态，气体与材料表面之间的结合力主要是化学键力，它们之间

21、有电子交换。面之间的结合力主要是化学键力，它们之间有电子交换。在一般情况下，物理吸附和化学吸附是同时存在的在一般情况下，物理吸附和化学吸附是同时存在的，在常温下，在常温下物理吸附是吸附的主要形式，随着温度的增加，化学吸附也增物理吸附是吸附的主要形式，随着温度的增加，化学吸附也增加，在某一温度达到最大值，超过最大值后，气体解吸的几率加，在某一温度达到最大值，超过最大值后，气体解吸的几率增加，物理吸附与化学吸附同时减少。增加，物理吸附与化学吸附同时减少。69/26气敏半导体检测灵敏度和温度的关系气敏半导体检测灵敏度和温度的关系检测气体：检测气体：0.1%丙烷丙烷69/27为了获得较高的灵敏度和较快

22、的响应时间，为了获得较高的灵敏度和较快的响应时间，通通常需要在气敏元件上加装常需要在气敏元件上加装加热丝加热丝使之在灵敏度使之在灵敏度峰值温度附近工作。峰值温度附近工作。SnO2的峰值温度较低，故成为应用最广泛的半的峰值温度较低，故成为应用最广泛的半导瓷气敏材料。导瓷气敏材料。 69/28N型半导体吸附气体时器件阻值的变化图型半导体吸附气体时器件阻值的变化图69/29气敏元件在气敏元件在高温条件高温条件下工作不仅要消耗额外的加热功率，而下工作不仅要消耗额外的加热功率，而且会增加安装成本，其至增加引起火灾的不安全因素。且会增加安装成本，其至增加引起火灾的不安全因素。为了为了使气敏元件能在常温下工

23、作，必须大大提高气敏元件在使气敏元件能在常温下工作，必须大大提高气敏元件在常温常温下下的灵敏度，为此要使用各种催化剂。的灵敏度，为此要使用各种催化剂。实验表明，实验表明，在气敏半导瓷材料中添加少量催化剂后制成的在气敏半导瓷材料中添加少量催化剂后制成的气敏元件在常温下的灵敏度可以大大提高。气敏元件在常温下的灵敏度可以大大提高。 例如在例如在SnO2中添加中添加2wt%的的PdCl就可以大大提高它对还原就可以大大提高它对还原性气体的灵敏度。性气体的灵敏度。 催化剂催化剂69/30 使用气敏电阻传感器，可以把某种气体的使用气敏电阻传感器，可以把某种气体的成分、成分、浓度浓度等参数转换成电阻变化量，再

24、转换为电流、电压等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。信号。 气敏电阻传感器气敏电阻传感器品种繁多，主要有可测量品种繁多，主要有可测量还还原性气体原性气体和测量和测量氧气浓度氧气浓度的两大类。的两大类。3.5.3 几种常用的气敏传感器几种常用的气敏传感器69/31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。的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、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。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

25、是用测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或或Fe2O3等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。按一定比例烧结而成的半导体器件。69/32常用的主要有常用的主要有接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器电化学气敏传感器和和半导体气敏半导体气敏传感器传感器等。等。接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，

26、保持300300400400的高的高温，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温，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，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是，也可以是离子作用

27、于离离子作用于离子电极产生子电极产生的电动势。的电动势。半导体气敏传感器半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。应用极其广泛。 气体传感器的分类气体传感器的分类69/33半导体气敏陶瓷基本特性半导体气敏陶瓷基本特性半导体材料半导体材料添加物质添加物质检测气体检测气体使用温度使用温度 /SnO2PdO, PdCo, C3H8, 乙醇200-300SnO2+SnCl2Pt, Pd, 过渡金属CH4, C3H8, CO200-300SnO2PdCl2, SbCl3CH4, C3H8, CO200-300SnO2Pd

28、O+MgO还原性气体150SnO2Sb2O3, MnO2Co, 煤气, 乙醇250-300SnO2稀土类金属乙醇类可燃气体250-300SnO2过渡金属还原性气体250-300ZnOPt, Pd可燃性气体250-400-Fe2O3Pt, Ir丙烷350-Fe2O3Pt, Ir可燃性气体25069/341 1） 表面控制型气体传感器的结构表面控制型气体传感器的结构表面控制型气体传感器有三种结构类型：表面控制型气体传感器有三种结构类型：烧结烧结型型、薄膜型薄膜型及及厚膜型厚膜型。其中，烧结型最为成熟，薄。其中，烧结型最为成熟，薄膜型及厚膜型特性一致性较差。膜型及厚膜型特性一致性较差。 这里仅介绍烧

29、结型。这里仅介绍烧结型。1. 表面电阻控制型气体传感器表面电阻控制型气体传感器69/35烧结型烧结型SnOSnO2 2气体传感器气体传感器 是用粒度在是用粒度在1m1m以下的以下的SnOSnO2 2粉末，加入少量粉末，加入少量PdPd或或PtPt等触媒剂等触媒剂及添加剂，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物及添加剂，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，再埋入加热丝及电极，经滴入模具内，再埋入加热丝及电极，经600600800800数小时烧结后，数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯体，将其引线焊接在管座上，并罩上不可得多孔状的气敏元件芯体，将其引线焊接在管座上，并

30、罩上不锈钢网制成。锈钢网制成。 按加热方式分为直热式和间热式两种按加热方式分为直热式和间热式两种, , 其结构与符号如下图所示。其结构与符号如下图所示。 69/36烧结型气体传感器的结构与符号烧结型气体传感器的结构与符号（a a） 直热式；直热式； （b b） 间热式间热式 69/37烧结型烧结型SnO2气敏器件气敏器件69/38直热式的加热丝兼作电极。直热式的加热丝兼作电极。其结构简单、成本低、其结构简单、成本低、功耗小；功耗小； 但热容量小，但热容量小， 易受环境气流影响易受环境气流影响； 因因加热丝热胀冷加热丝热胀冷缩缩， 易使之与材料接触不良；易使之与材料接触不良； 在测量电路中，在测

31、量电路中， 信信号电路和加热电路相互干扰。号电路和加热电路相互干扰。 国产直热式气敏传感器有国产直热式气敏传感器有HQHQ型、型、QNQN型和型和MQMQ型型，其，其外形如下图所示。外形如下图所示。 69/39部分国产半导体气敏元件的外形图（a） HQ系列； （b） QN系列； （c） MQ系列 69/40a. a. 气敏特性气敏特性：遇遇H H2 2、COCO、碳氢化合物等、碳氢化合物等( (还原性即可燃性还原性即可燃性) )气体，气体， 材料表面层材料表面层电阻率减小电阻率减小；遇；遇O O2 2等氧化性气体时，材料表面层等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大电阻率增大。在检测前，材料表面已

32、经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。在检测前，材料表面已经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在最佳工作温度一般多在200200500500范围范围内。内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有高温稳定高温稳定性性的半导体材料只有的半导体材料只有金属氧化物金属氧化物，常见的是，常见的是SnOSnO2 2和和ZnOZnO。 2） 烧结型气体传感器的工作特性烧结型气体传感器的工作特性69/41b. b. 初期恢复特性及初期稳定特性：初期恢复特性及初期稳定特性： 经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化经短期存放再通电时，传感

33、器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称为（减小），这一特性称为初期恢复特性初期恢复特性，它与，它与元件种类元件种类、存放存放时间时间及及存放环境存放环境有关。有关。 存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放存放7 71515天后的初期恢复时间一般约在天后的初期恢复时间一般约在2 25 min5 min之内。之内。 当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高出正常值出正常值20%20%左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性称作称作初期稳定特性初期稳定特性。

34、初期稳定时间与传感器种类及工作温度有初期稳定时间与传感器种类及工作温度有关，直热式较长，间热式较短。关，直热式较长，间热式较短。69/42为缩短初期恢复时间和初期稳定时间，为缩短初期恢复时间和初期稳定时间， 在在开始使用时，开始使用时， 要进行一段时间的高温处理要进行一段时间的高温处理， 同同时在构成控制电路时应时在构成控制电路时应加延时电路加延时电路。 若将若将气体敏感膜气体敏感膜、加热器加热器和和温度测量探头温度测量探头集成在一块硅片上，集成在一块硅片上， 则构成则构成集成气敏传感器集成气敏传感器。 69/433 3） 主要检测对象主要检测对象烧结型气体传感器主要用来检测烧结型气体传感器主

35、要用来检测甲烷甲烷、丙烷丙烷、一氧化碳一氧化碳、 氢气氢气、 酒精酒精、 硫化氢硫化氢等。等。 69/441） Fe2O3系列系列Fe2O3系列现有系列现有-Fe2O3和和- Fe2O3, 主要用来主要用来检测检测液化石油气液化石油气、 煤气煤气和和天然气天然气。 -Fe2O3对水蒸汽和乙醇不灵敏，对水蒸汽和乙醇不灵敏， 特别适合特别适合做家庭可燃气报警器。做家庭可燃气报警器。 2. 体电阻控制型气敏传感器体电阻控制型气敏传感器69/452） Nb2O5氧气传感器氧气传感器Nb2O5对氧气比较敏感对氧气比较敏感。 用用Nb2O5制成的氧制成的氧传感器可用于检测传感器可用于检测汽车发动机汽车发动

36、机和和锅炉锅炉等所排废气等所排废气中的氧气分压强中的氧气分压强PO2，以控制其最佳燃烧状态。，以控制其最佳燃烧状态。 69/46 氧化物半导体传感器电导率氧化物半导体传感器电导率与氧气分压强的关系曲线与氧气分压强的关系曲线如下图所示。如下图所示。当氧气分压强很低时当氧气分压强很低时，氧化物中氧原子逸出参，氧化物中氧原子逸出参与氧化还原反应形成氧空位，构成施主能极，与氧化还原反应形成氧空位，构成施主能极，具有具有N型导电型导电性性，氧气分压强越小，导电性越强。反之，氧气分压强越小，导电性越强。反之，氧气分压强很高氧气分压强很高时时，氧化物中氧原子过剩形成受主能极，氧化物中氧原子过剩形成受主能极，

37、具有具有P型导电性型导电性，氧气分压强越大导电性越强。氧气分压强越大导电性越强。 氧气分压强处在中间值范围，氧气传感器属氧气分压强处在中间值范围，氧气传感器属离子导电离子导电（实际上工作在（实际上工作在N型导电的情况下），型导电的情况下），其电阻值只与氧气分其电阻值只与氧气分压强成正比关系压强成正比关系。69/47-PO2关系曲线关系曲线 69/48 氧气传感器已用于氧气传感器已用于各种水质中氧溶解量的检测各种水质中氧溶解量的检测和和汽车引汽车引擎等各种燃烧过剩物中空燃比擎等各种燃烧过剩物中空燃比的控制。的控制。 下图为下图为空气过剩率空气过剩率与与氧气传感器阻值氧气传感器阻值R的关系曲线，的

38、关系曲线， 为实际空燃比与理论最佳空燃比的比值为实际空燃比与理论最佳空燃比的比值。在。在=1附近，氧气附近，氧气分压强值急剧变化，分压强值急剧变化， 使使Nb2O5等半导体阻值突变。等半导体阻值突变。 通过适当通过适当电路检测和调整，可使之保持在电路检测和调整，可使之保持在=1的最佳工作状态。的最佳工作状态。 69/49-R关系曲线关系曲线 69/503.5.4 气敏陶瓷电阻器的应用气敏陶瓷电阻器的应用气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体

39、等方面的报警器。的报警器。也可用于也可用于对大气污染进行监测对大气污染进行监测以及在以及在医疗上医疗上用于对用于对O2、CO2等气体的测量。等气体的测量。生活中生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器69/52酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管69/53酒精传感器的选择性酒精传感器的选择性69/54 气敏半导体的灵敏度特性曲线气敏半导体的灵敏度特性曲线 观察右图，观察右图，看一下能否说明看一下能否说明非线性特性对浓非线性特性对浓度超限报警是否度超限报警

40、是否有利？有利？69/55家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器69/56家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器69/57一氧化碳传感器一氧化碳传感器69/58其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器69/59氧浓度传感器氧浓度传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量69/60汽车尾气分析汽车尾气分析69/61有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用69/62气敏陶瓷传感器气敏陶瓷传感器人工人工“鼻子鼻子”气敏陶瓷有两项特殊的本领气敏陶瓷有两项特殊的本领：其一，能吸附大量气味；其一，能吸附大量气味；其二，吸附气体后会引起电导的变化。其二，

41、吸附气体后会引起电导的变化。例如当遇到可燃、易爆、有毒气体时，产生电导率变化，例如当遇到可燃、易爆、有毒气体时，产生电导率变化，可产生电流，指示人们警惕，一旦气体消散，它的电导可产生电流，指示人们警惕，一旦气体消散，它的电导值恢复正常。值恢复正常。 69/63如今的如今的“电子鼻电子鼻”可分辨氢气、一氧化碳、氟利昂、可分辨氢气、一氧化碳、氟利昂、苯苯约约100100多种气体多种气体。当空气中占当空气中占十万分之一十万分之一到到百万分之一百万分之一的浓度，就可被它的浓度，就可被它侦察出了。侦察出了。因此，用气敏陶瓷制作的电子鼻，一问世立即受到人们因此，用气敏陶瓷制作的电子鼻，一问世立即受到人们欢

42、迎。欢迎。 69/64例如：用作宾馆，饭店的火警报警器例如：用作宾馆，饭店的火警报警器，因为当着火后，会产，因为当着火后，会产生二氧化碳，当二氧化碳超过正常浓度，报警器就会报警，生二氧化碳，当二氧化碳超过正常浓度，报警器就会报警，发出铃声或用自动电话通知服务台，及时扑灭。发出铃声或用自动电话通知服务台，及时扑灭。 电子鼻还参加禁毒行动电子鼻还参加禁毒行动，科学家已发明一种可以检查海洛因、，科学家已发明一种可以检查海洛因、鸦片、大麻等毒品的电子鼻，这种电子鼻灵敏度很高，它像鸦片、大麻等毒品的电子鼻，这种电子鼻灵敏度很高，它像地雷探测器那样，只要放在包裹上，如果有毒品，指针就会地雷探测器那样，只要

43、放在包裹上，如果有毒品，指针就会偏转。据估计，数年后这种专查毒品的电子鼻将广泛应用。偏转。据估计，数年后这种专查毒品的电子鼻将广泛应用。 69/65可以预测，可以预测，电子鼻还可以参加公安局破案和捕捉逃犯电子鼻还可以参加公安局破案和捕捉逃犯。因为，每个人的身体都有自己特有的气味，这就是公安因为，每个人的身体都有自己特有的气味，这就是公安局利用警狗破案、捕捉逃犯的缘故。如果，把电子鼻的局利用警狗破案、捕捉逃犯的缘故。如果，把电子鼻的分辨率提高到狗鼻那样灵敏，甚至还超过它，那么，电分辨率提高到狗鼻那样灵敏，甚至还超过它，那么，电子鼻可代替狗来协助破案了。子鼻可代替狗来协助破案了。 69/66自动空

44、气清新器自动空气清新器这个自动空气清新器能在室内空气污浊或有害气体达到一定浓度时，自这个自动空气清新器能在室内空气污浊或有害气体达到一定浓度时，自动产生负氧离子，保持空气清新，工作原理电路见下图。动产生负氧离子，保持空气清新，工作原理电路见下图。 R54.7MT2VD70.6mm4STR3470KLED2(红)IC3TWH8751R4 100K12354VT19013R247KC4 0.01Rt430KRP2.2KR1470KFU1AVD1-VD4IN4001C1 220/16VC3 100/16VC3100/16VVD5 VD4IN4001 IN4001LED1(绿)+T112V220VIC

45、2 78L05IC1 7812111323442325ABQM-N5VIN VOUTGNDGNDVIN VOUTS空气自动清新器电路原理图空气自动清新器电路原理图 电路分为两部分，以电路分为两部分，以QMQMN5N5为中心元件的电路组成空气检测开关电路，它可以检测可为中心元件的电路组成空气检测开关电路，它可以检测可燃气体。当室内的有害气体达到一定浓度时，由于燃气体。当室内的有害气体达到一定浓度时，由于B B点电位升高使点电位升高使VT1VT1饱和导通，起到了检饱和导通，起到了检测开关的作用。测开关的作用。R Rt t为负温度系数热敏电阻，用来补偿为负温度系数热敏电阻，用来补偿QMQMN5N5由

46、于温度变化引起的偏差。以由于温度变化引起的偏差。以TWH8751TWH8751为中心器件的电路组成负氧离子发生器，控制为中心器件的电路组成负氧离子发生器，控制负氧离子的浓度负氧离子的浓度。69/67几种常用半导体气敏器件的基本参数几种常用半导体气敏器件的基本参数 69/68QM-J3、N7、N8型气敏器件的用途、特点和主要参数型气敏器件的用途、特点和主要参数 69/69本节小结本节小结本节要点：本节要点： 1. 气敏陶瓷的背景气敏陶瓷的背景 2. 气敏陶瓷的主要体系气敏陶瓷的主要体系 3. 气敏陶瓷的基本特性气敏陶瓷的基本特性 4. 几种常用的气敏传感器几种常用的气敏传感器 5. 气敏陶瓷传感器的应用气敏陶瓷传感器的应用