气敏传感器第八章气敏接触燃烧式气敏元件金属氧化物 1,检测原理可燃性气体(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, 2,接触燃烧式气敏元件的结构用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(1Ω～2Ω),一般应绕10圈以上.在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体.将烧结后的小球,放在贵金属铂,钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干.然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件.除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝,氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用.另外,作为补偿元件的铂线圈,其尺寸,阻值均应与检测元件相同.并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已.触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图二,半导体气体传感器气体敏感元件,大多是以金属氧化物半导体为基础材料.当被测气体在该半导体表面吸附后,引起其电学特性(例如电导率)发生变化.目前流行的定性模型是:原子价 (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,即使对于同一气敏元件,在温度相同的条件下,在不同地区进行测定,其固有电阻值也都将出现差别.因此,必须在洁净的空气环境中进行测量.(2)气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标.它表示气体敏感元件的电参量(如电阻型气敏元件的电阻值)与被测气体浓度之间的依从关系.表示方法有三种(a)电阻比灵敏度K(b)气体分离度RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值:RC2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值.通常,C1>C2.(c)输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时,负载电阻上的电压输出;Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时,负载电阻的电压输出Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值;Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值(4)气敏元件的响应时间表示在工作温度下,气敏元件对被测气体的响应速度.一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时,直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63%时为止,所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间,通常用符号tr表示.(3)气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别(选择)以及对干扰气体的抑制能力.气敏元件分辨率S表示为Va—气敏元件在洁净空气中工作时,负载电阻上的输出电压;Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时,负载电阻上的电压Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时,负载电阻的电压(5)气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200℃以上高温.为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻,用RH表示.直热式的加热电阻值一般小于5Ω;旁热式的加热电阻大于20Ω.气敏元件正常工作所需的加热电路功率,称为加热功率,用PH表示.一般在(0.5～2.0)W范围.(6)气敏元件的恢复时间表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63%时所需时间. (7)初期稳定时间长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化,在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象.因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间.一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定.由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间.初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数.存放时间越长,其初期稳定时间也越长.在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值.2,烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型,薄膜型和厚膜型三种.烧结型应用最广泛性.其敏感体用粒径很小(平均粒径≤1μm)的SnO2粉体为基本材料,根据需要添加不同的添加剂,混合均匀作为原料.主要用于检测可燃的还原性气体,其工作温度约300℃.根据加热方式,分为直接加热式和旁热式两种.(1)直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)内热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片(敏感体和加热器),基座和金属防爆网罩三部分组成.因其热容量小,稳定性差,测量电路与加热电路间易相互干扰,加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良,造成元件的失效,现已很少使用.(2)旁热式SnO2气敏元件加热器电阻值一般为30Ω～40Ω电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456(a)结构(b)符号7100目不锈钢网18.4123123456745°45°气敏元件外形和引出线分布三,氧化锆氧气传感器固体电解质是具有离子导电性能的固体物质.一般认为,固体物质(金属或半导体)中,作为载流子传导电流的是正,负离子.可是,在固体电解质中,作为载流子传导电流的,却主要是离子.二氧化锆(ZrO2)在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性.纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系,随着温度的升高,发生相转变.在1100℃下,为正方晶系,2500℃下,为立方晶系,2700℃下熔融,在熔融二氧化锆中添加氧化钙,三氧化二钇,氧化镁等杂质后,成为稳定的正方晶型,具有莹石结构,称为稳定化二氧化锆.并且由于杂质的加入,在二氧化锆晶格中产生氧空位,其浓度随杂质的种类和添加量而改变,其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化. 在二氧化锆中添加氧化钙,三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变.尤其是在氧化钙添加量为15%mol左右时,离子电导出现极大值.但是,由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低,要在高温下,气敏元件才有足够的灵敏度.添加三氧化二钇的ZrO2-Y2O3固溶体,离子活性较高,在较低的温度下,其离子电导都较大,如图.因此,通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件.添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料,称为YSZ材料.51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/% molZrO2中杂质含量与电导关系离子电导lgα/Ω-1cm-1ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系56008001000120010-110-210-310-4123467t /℃离子导/Ω-1cm-11 添加8%molYb2O3 ;2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.043 ZrO2 ;4 添加10%molY2O3 ;5 添加13%molCaO6 添加15%molY2O3 ;7 添加10%molCeO四,气体传感器的应用分为检测,报警,监控等几种类型.1,电源电路一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V),其工作电压,特别是供给加热的电压,必须稳定.否则,将导致加热器的温度变化幅度过大,使气敏元件的工作点漂移,影响检测准确性.2,辅助电路由于气敏元件自身的特性(温度系数,湿度系数,初期稳定性等),在设计,制作应用电路时,应予以考虑.如采用温度补偿电路,减少气敏元件的温度系数引起的误差;设置延时电路,防止通电初期,因气敏元件阻值大幅度变化造成误报;使用加热器失效通知电路,防止加热器失效导致漏报现象.下图是一温度补偿电路当环境温度降低时,则负温度热敏电阻(R5)的阻值增大,使相应的输出电压得到补偿.BZ~U气敏传感器氖管蜂鸣器NTC电阻WR1R2R3R4R5R6SCR右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.BZ气敏传感器PTC电阻R2R1R3R4BCRB蜂鸣器氖管3,检测工作电路这是气敏元件应用电路的主体部分.下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. ~220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图.在此电路中,BG1,BG2的参数应力求一致,最好选用差分对管.采用这种差分电路,检测气体的灵敏度可达100 ×10-6.K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VμA差分式可燃性气体检测仪电路R1RQ下图是家用煤气(CO)安全报警电路.一部分是煤气报警器,在煤气浓度达到危险界限前发生警报;另一部分是开放式负离子发生器,其作用是自动产生空气负离子,使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应,生成对人体无害的二氧化碳.IC1IC2J~220V KJ1R10 R12 R11 R1R2R3R4 BG1 BG2 C1C2C3C4R5R6R7R8R13 R9D1D2D3D4D5 DwW1W2C7C5C6 MT2 MT1 3CTS3 RQAB LED 621748521387B1B2D7煤气安全报警器原理图。