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气体传感

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Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

导读: 探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器在以家用天燃气·丙烷气体报警器为主的空调与空气洁净器、汽车等领域广泛得到应用。

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器在以家用天燃气·丙烷气体报警器为主的空调与空气洁净器、汽车等领域广泛得到应用。现在工采网小编对Figaro最擅长的3种气体检测原理进行说明。

半导体气体传感器简单的架构

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

STEP1

在洁净的空气中,氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子,造成电子难以流动的状态。

STEP2

在泄漏的气体(还原性气体)环境中,表面的氧与还原气体反应后消失,氧化锡中的电子重获自由,受此影响,电子流动通畅。

半导体气体传感器的检测原理

当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时,氧气捕捉粒子中的电子后,吸附于粒子表面。结果,在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小,因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭(volume depletion)。相反,把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭(regional depletion)。使氧气分压从零(flat band开始按照小([O-](Ⅰ))→中([O-](Ⅱ))→大([O-](Ⅲ)))的顺序上升时,能带结构与电子传导分布的变化如下图所示([O-]:吸附的氧气浓度)。在容衰竭(volume depletion)状态下,电子耗尽层的厚度变化结束,产生费米能级转换pkT,电子耗尽状态往前推进则pkT增大,后退则pkT缩小。

■ 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进能带结构

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

x:半径方向的距离qV(x):势垒a:离子半径[O-]:吸附氧气的浓度EC:传导带下端EF:费米能级pkT:费米能级转换

传导电子分布

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[e]:电子浓度Nd:施子密度

容衰竭(volume depletion)状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e]S可用施子密度Nd、粒子半径a以及德拜长度LD通过式子(1)表示。如果p增大则[e]S减少,p减少则[e]S增大。

[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)

由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R,可使用flat band时的电阻值R0,通过式子(2)表示。[e]S减少则将增大,[e]S增大则将缩小。

R/R0= Nd/[e]S ... (2)

使用了氧化锡的半导体式气体传感器,就是这样通过氧化锡粒子表面的[O-]的变化来体现电阻值R的变化。

置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子,一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中,其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后,使[O-]减少,结果是[e]S增大,R缩小。消除还原性气体后,[O-]增大到暴露于气体前的浓度,R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。

参考文献:Noboru Yamazoe, Kengo Shimanoe, Basic approach to the transducer function of oxide semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B 160 (2011) 1352-1362催化燃烧式气体传感器检测原理

催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片(D)和不与可燃气体进行反应的补偿片(C)2个元件构成。如果存在可燃气体的话,只有检测片可以燃烧,因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。相反,因为补偿片不燃烧,其电阻不发生变化(图1)。这些元件组成惠斯通电桥回路(图2),不存在可燃气体的氛围中,可以调整可变电阻(VR)让电桥回路处于平衡状态。然后,当气体传感器暴露于可燃气体中时,只有检测片的电阻上升,因此电桥回路的平衡被打破,这个变化表现为不均衡电压(Vout)而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在图3所示的比例关系,因此可以通过测定电压而检出气体浓度。

■ (图1)测定电路

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

■ (图2)测试电路

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

■ (图3)

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

电化学气体传感器:传感器元件构成与电极反应式

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

传感器由来自贵金属催化剂的检测极、对极与离子传导体构成。当CO等检测对象气体存在时,在检测极催化剂上与空气中的水蒸气发生(1)式所示的反应。

CO + H2O → CO2+ 2H+ + 2e- …(1)

检测极与对极接通电流(短路)后,检测极产生的质子(H+)与同时产生的电子(e-)分别通过离子传导体与外部电线(引线)各自到达对极,在对极上与空气中的氧之间发生(2)式所示的反应。

(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …(2)

也就是说此传感器构成了由(1)(2)反应式形成的(3)反应式的全电池反应,可以认为是将气体作为活性物质的电池。

CO + (1/2)O2 → CO2 …(3)

当做气体传感器使用时,接通检测极与对极的电流,来测定其短路电流。

CO浓度检测原理公式

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

对流过外部电路的短路电流与气体浓度的关系,通过传感器进行适当的扩散控制(控制气体的流入量),呈现出式子(4)这样的比例关系(右图)。

I = F × (A/σ) × D × C × n …(4)

这里 I:短路电流;A:扩散孔面积;σ:扩散层长度;D:气体扩散系数;C:气体浓度;n:反应的电子数量

特长

反应式(1)所示的氧化电位由于比氧化电极电位的基准值(2H+ + 2e- ? H2)要低(拥有较低电位),因此此反应不需要消耗来自外部的电压、温度等其他能量,可以有选择地进行,与别的检测方式相比在干扰性、重复性、节电方面要优越得多。

气体传感器使用要求与注意事项

使用时请务必阅读Figaro公司的产品技术资料,对产品规格与使用条件进行确认。

设计时要注意避免当电路上其他电子部件发生短路、开路等异常状况时给气体传感器带来超过额定值的电压、电流与温度。

设计时要注意避免因气体传感器的故障而影响到其他的部件,直接或间接导致使用了气体传感器的机器产生误动作、冒烟、起火或其他不稳定的状态,使机器的安全性受损。

如有必要,敬请考虑采取设置类似于保护电路这样的故障保护安全措施。

关于使用安全注意事项

关于使用电压

如果气体传感器被施加了超过额定值的电压,即使未出现断线与物理性损伤的情况,也有可能发生传感器特性受到影响的情况。气体传感器一旦有过过电压经历,请不要使用。

关于使用温度

请不要在超过额定温度的高温下使用气体传感器。在超过额定温度的高温环境下电极膜会劣化,传感器的特性很有可能会受到影响。

关于使用环境

气体传感器如果受到碱金属的污染,气体传感器的特性有可能受到显著影响。尤其要避开盐水喷雾。

如果暴露于氨气等碱性高浓度气体中,气体传感器的特性很有可能受到影响,因此要避免出现这样的情况。

要避免在有可能使用了硅粘结剂与含有硅的发胶、硅橡胶、硅腻子的场所使用或保管气体传感器。从含硅的产品蒸发出来的硅蒸汽有可能引起传感器内部气体流入通道的堵塞。

气体传感器内部与表面如果持续长时间大量结露的话,可能会引起气体流入通道的堵塞与气体敏感膜的劣化情况发生。正常的室内环境中产生的轻微结露对气体传感器不会产生重大的影响。

如果气体传感器暴露于硫化氢与硫酸系气体环境时,有可能出现内部的气体扩散膜与盖帽、或本体受到腐蚀,气体传感器受损的情况。

气体传感器如果暴露于酒精类、丙酮、挥发油等产生的有机物蒸汽中,气体敏感部吸附有机物蒸汽,可能会发生传感器特性短时间变化的情况。

气体传感器如果暴露于极度的粉尘与油性气雾中,有可能在气体传感器内部发生孔眼堵塞的情况。如果可以预知是这样的使用环境,建议在气体传感器的上部加装外接过滤器。

当在低温环境中发生快速冻结的情况时,气体传感器内部可能发生漏水对气体传感器的特性产生影响。尤其是当把盖帽朝下设置于机器中的时候,很容易发生这样的情况。

如何处理

请不要将传感器浸入水中、或将水洒到传感器上,否则有可能对传感器的特性造成影响。

如果让气体传感器受到强烈震动或撞击,其内部可能会发生断线或短路等情况。

请不要随意分解气体传感器,也不要使本体与盖帽部位发生变形。

关于保管方法

如果将气体传感器放置在密封袋这样密闭性很强的容器内保管的话,因周围温度的变化气体传感器内部可能出现结露的情况。

设计应用机器时的注意事项

出现零度以下的低温时水槽里的水有可能结冰冻结,一般情况下结冰不会对气体传感器的特性产生影响,但水结冰后体积增大有可能使气体传感器胴体发生变形的情况出现。设计机器时要注意防止气体传感器因结冰变形后与配置在周围的其它电子产品和电路基板发生接触。

安装时的注意事项

用焊锡将传感器焊接到电路基板时,如果使用焊锡槽,焊锡产生的高浓度助焊剂蒸汽有可能对传感器特性产生影响。我们建议手焊操作。考虑使用焊锡槽的话,请在量产前用试验组预先对传感器特性可能产生的影响进行确认。

为提高对湿度的耐受性、对气体的耐受性而用树脂涂膜时,树脂所含的化学成分溶剂可能会引起特性下降的情况发生。

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