淺析氣體傳感器的原理及應(yīng)用

單曉瑀 教傳艷* 沈陽工學(xué)院機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院

在上世紀(jì)30年代，德國科學(xué)家H.H.Banmbach等人在合成Cu2O時，首次發(fā)現(xiàn)了它對O2有極強(qiáng)的吸附作用。其后，D.J.M.Beran、H.F.ritzede等人發(fā)現(xiàn)了H2、CO等還原性氣體與ZnO接觸后，引起電導(dǎo)率增大。六十年代初，隨著煤氣、液化石油氣、天然氣等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也帶來了因氣體泄漏而引起的中毒、爆炸、火災(zāi)等安全問題。因此，才逐步引起人們對氣體傳感器的重視，并促進(jìn)了對氣體有敏感反應(yīng)的氣敏材料及傳感器的研究。

氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類，可按照工作原理、材料、制造工藝、檢測對象和應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)。在過去幾十年中，半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了不斷的發(fā)展，從陶瓷燒結(jié)型、厚膜型發(fā)展到薄膜型、陣列式、硅基微結(jié)構(gòu)型，其主流發(fā)展趨勢是向小型化、集成化、多功能化、低功耗、高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。

1 氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

從制作工藝來看，電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)可以分為三種類型：燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型；按加熱方式又可分為直熱式和旁熱式。

直熱式元件的主要特點(diǎn)是加熱器與氣敏材料直接接觸，它將起電極和加熱作用的Ir-Pd合金線圈埋入氣敏氧化物材料中經(jīng)燒結(jié)而成。 旁熱式則使用絕緣陶瓷管，將加熱線圈插入絕緣陶瓷管內(nèi)，而在其表面分別涂上電極和氣體敏感材料，這樣加熱器與氣敏材料不再直接接觸。

2 氣體傳感器的工作原理

傳感器的測試方式以工作模式的不同而有所區(qū)別，大體上可分為直流測量法和交流測量法。RL為負(fù)載電阻。當(dāng)元件的電阻變化時，可通過負(fù)載電阻上電壓的變化來換算。

式（2-3）中，R0為元件在空氣中的電阻，Rc為元件在被測氣體濃度為C的氣體中的電阻。V0為元件在空氣中，負(fù)載電阻RL取一固定值時RL兩端的電壓輸出值，Vc為元件在被測氣體濃度為C的氣體中RL兩端的電壓輸出值。

典型半導(dǎo)體式氣體傳感器的響應(yīng)恢復(fù)特性曲線，一般的，氣體傳感器的恢復(fù)時間要長于響應(yīng)時間。

典型半導(dǎo)體式氣體傳感器的靈敏度特性曲線，一般的，半導(dǎo)體式氣體傳感器的電阻與氣體濃度是非線性關(guān)系，近似于雙對數(shù)線性關(guān)系。

3 氣體傳感器的應(yīng)用

圖3-1 氣體鑒別、報警與控制電路

氣體傳感器一方面可鑒別實(shí)驗(yàn)中有無有害氣體產(chǎn)生，鑒別液體是否有揮發(fā)性，另一方面可自動控制排風(fēng)扇排氣，使室內(nèi)空氣清新。如圖3-1所示，MQS2B是旁熱式煙霧、有害氣體傳感器，無有害氣體時阻值較高(10kΩ左右)，有有害氣體或煙霧進(jìn)入時阻值急劇下降，A、B兩端電壓下降，使得B的電壓升高，經(jīng)電阻R1和RP分壓、R2限流加到開關(guān)集成電路TWH8778的選通端腳，當(dāng)腳電壓達(dá)到預(yù)定值時(調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP可改變5腳的電壓預(yù)定值)，1、2兩腳導(dǎo)通。+12V電壓加到繼電器上使其通電，觸點(diǎn)J1-1吸合，合上排風(fēng)扇電源開關(guān)自動排風(fēng)。同時2腳+12V電壓經(jīng)R4限流和穩(wěn)壓二極管VZ1穩(wěn)壓后供給微音器HTD電壓而發(fā)出滴滴聲，而且發(fā)光二極管發(fā)出紅光，實(shí)現(xiàn)聲光報警的功能。

4 結(jié)論

本文通過從結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用三方面具體介紹了什么是氣體傳感器以及它的作用和在人們生活中的必要性。氣體傳感器可廣泛應(yīng)用于日常生活中的報警裝置及環(huán)保節(jié)能等領(lǐng)域，因?yàn)橛辛怂嬖冢梢允谷藗兊纳钭兊酶颖憬莞影踩?/p>

[1]Yoshihiko Nakatani.Ceramic Gas Sensor For City Gas.National Technical Report,1979,25(5)：1033-1041.

[2]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.