检测与转换课件3

发布于:2021-09-26 12:52:31

第三章 半导体传感器

3.1 半导体应变片及压阻传感器
(一)压阻效应及半导体应变片:

单晶硅材料在受到某一方向上力的作用后,其电阻 率将随作用力而变化.这种物理现象称为压阻效应 压阻效应。 压阻效应 其电阻相对变化为:

?R ?l ?ρ ?ρ = (1 + 2 ? ) + ≈ = πEε = πσ ρ R l ρ
式中式中π为压阻系数

(二)半导体压阻式传感器结构

在弹性变形限度内,硅的压阻效应是可逆的,即在应力作 用下硅的电阻发生变化,而当应力除去时,硅的电阻又恢 复到原来的数值。硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同。 固态压阻式传感器的核心是硅膜片。通常多选用N型硅晶片 作硅膜片,在其上扩散P型杂质,形成四个阻值相等的电阻 条。上图是硅膜片芯体的结构图。将芯片封接在传感器的 壳体内,再联接出电极引线就制成了典型的压阻式传感器。

虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多, 但有时还觉得不够高,因此,为了进一步增大灵 敏度,压敏电阻常常扩散(安装)在薄的硅膜上, 压力的作用先引起硅膜的形变,形变使压敏电阻 承受应力,该应力比压力直接作用在压敏电阻上 产生的应力要大得多,好像硅膜起了放大作用一 样。

(三)硅杯式压阻式压力传感器 结构 如图a 主要元件硅杯

如图b

在膜片上适当位置扩散出四个阻值相等的压敏电阻后,将四 个压敏电阻接成桥路就构成了扩散硅压阻器件。四个压敏电 阻在膜片上的位置应满足两个条件:一是四个压敏电阻组成 桥路的灵敏度最高,二是四个压敏电阻的灵敏系数相同。

当圆形膜片半径>>电阻几何尺寸,则

?R = π Lσ L + π t σ t R
式中

π L为纵向压阻系数(电流方向与应力方向相同) π t 为横向压阻系数(电流方向与应力方向垂直) σ L为纵向应力,σ t 为横向应力,

在周边固定的圆形硅膜片上:

3p (1 + ? )ro2 ? (3 + ? )r 2 径向应力 σ r = 8h 2 3p 切向应力 σ t = 2 [(1 + ? )ro2 ? (1 + 3? )r 2 ] 8h

[

]

而晶体的压阻系数又与晶向有关,可以计算或查表得出
110晶向的p型硅电阻?π L =

π 44

2 ? π 44 001晶向的p型硅电阻?π L = ,π t = 0 2 式中π 44为单晶体硅剪切压阻系数

,π t = 0

现按右图在N型硅膜片上扩散P型硅电阻,则每个电阻:

?R 1 = π Lσ r = π 44σ r R 2
内电阻

外电阻

? ?R ? 1 ? ? R ? = 2 π 44 σ ri ? ? i ? ? ?R ? 1 ? ? = ? π 44 σ ro ?R ? 2 ? o?
rb

式中σ 为*均应力

∫ σ (r )dr σ=
ra r



rb

ra

dr

=

3 p(1+ ?)ro2 ? 3+ ? r2 + rr2 + r22 ? 1 1 σri = 1? ? ? 8 h2 ? 3(1+ ?) ro2 ? 3 p(1+ ?)ro2 ? 3?3? r32 + r3r4 + r42 ? σro = ?1? ? 2 2 8 h ro ? 3(1+ ?) ?

适应安排位置,使

σ r = +σ r
i

o

? ?R ? ? ?R ? 则? ? = ?? ? ? R ?i ? R ?o

即可组成差动电桥

测量原理:
当硅杯两侧存在压力差时,硅膜片产生形变,四个压 敏电阻在应力的作用下,阻值发生变化,电桥失去*衡, 按照全桥的工作方式输出的电压Uo与膜片两侧的压差△p 成正比。 Uo=K(p1-p2)=K△p 当p2进气口向大气敞开时,输出电压对应于“表压” Uo=K(p1-p2)= K(p1-p0)= Kp表 当p2进气口处于真空时,输出电压对应于“绝对压力” Uo=K(p1-p2)= K(p1-0)= Kp绝

特点:
(1)由于四个应变电阻是直接制作在同一硅片上, 所以工艺一致性好,温度引起的电阻值漂移能互 相抵消。 (2)由于半导体压阻系数很高,所以构成的压力传 感器灵敏度高,输出信号大。 (3)又由于硅膜片本身就是很好的弹性元件,而四 个扩散型压敏电阻又直接制作在硅片上,所以迟 滞、蠕变都非常小,动态响应快。

(四)

硅梁式压阻式加速度传感器

当质量块受加速度作用时,硅梁根部所受应力(单轴应力)

6ml σl = 2 a bh

式中a为加速度

(1)结构原理 压阻式加速度传感器,它采用硅悬臂梁结构。 在硅悬臂梁的自由端装有敏感质量块,在梁的根 部,扩散四个性能一致的压敏电阻,四个压敏电 阻连接成电桥,构成扩散硅压阻器件,见图。当 悬臂梁自由端的质量块受到加速度作用时,悬臂 梁受到弯矩的作用产生应力,该应力使扩散电阻 阻值发生变化,使电桥产生不*衡,从而输出与 外界的加速度成正比的电压值。

对R1和R3

(受纵向力)

(?R R)

110

= π Lσ L + π tσ t = π Lσ L
π 44
3 ml a 2 bh

电流于应力同向

π L = π 44 2

对R2和R4

(受横向力):

(?R R)
即 ?R

110

= π Lσ L + π tσ t = π Lσ L
? π 44 2

电流与应力垂直

πL =

(

) R

110

= ? ?R

(

) R

3ml ? π 44 2 a bh
110

构成满足电桥的理想条件。

(2)特点 在制作压阻式加速度传感器时,若恰当 地选择尺寸和阻尼系数,可以用它测量低 频加速度和直线加速度,这是它的一个优 点。 由于固态压阻式传感器具有频率响应高、 体积小、精度高、灵敏度高等优点 。

半导体压敏式传感器应用
压阻式加速度传感器在航空、航海、石油、化工、动力机械、兵 器工业以及医学等方面得到了广泛的应用。 在机械工业中,压阻式压力传感器可用于测量冷冻机、空调机、空 气压缩机的压力和气流流速,以监测机器的工作状态。 在航空工业上,压阻式压力传感器用来测量飞机发动机的中心压力。 在进行飞机风洞模型试验中,可以采用微型压阻式传感器安装在模 型上,以取得准确的实验数据。 在兵器工业上,可用压阻式压力传感器测量枪炮膛内的压力,也可 对爆炸压力及冲击波进行测量。 压阻式压力传感器还广泛应用于医疗事业中,目前已有各种微型传 感器用来测量心血管、颅内、尿道、眼球内的压力。随着微电子技术 以及计算机的发展,固态压阻式传感器的应用将会越来越广泛。

3.2 气敏电阻传感器
3.2.1 气敏电阻的检测原理
气敏电阻是一种半导体敏感器件,它是利用气体的吸附而使半导 体本身的电阻率发生变化这一机理来进行检测的。 实验证明,当氧化性气体(如O2、NOx等)吸附到N型半导体, 还原性气体(如H2、CO、碳氢化合物和醇类等)吸附到P型半导体 上时,将使半导体载流子减少,而使电阻值增大。当还原性气体吸附 到N型半导体上,氧化性气体吸附到P型半导体上时,则载流子增多, 使半导体电阻值下降。 若气体浓度发生变化,其阻值将随之发生变化。根据这一特性,可 以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应 时间)一般不超过1min。

3.2 气敏电阻传感器

当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型 半导体上时,将使半导体载流子减少,而使电阻值增大。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。图表示了气体接触N 型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的含氧量 大体上是恒定的, 因此氧的吸附量也是恒定的,器件阻值也相 对固定。若气体浓度发生变化,其阻值也将变化。根据这一特 性,可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气 敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2 、ZnO、 TiO等,P型材料有MoO2、CrO3等。

3.2 气敏电阻传感器
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成 分的传感器。 由于气体种类繁多, 性质各 不相同,不可能用一种传感器检测所有类别 的气体,因此,能实现气-电转换的传感器 种类很多,按构成气敏传感器材料可分为半 导体和非半导体两大类。目前实际使用最多 的是半导体气敏传感器。(电化学反应传感 器)

半导体气敏传感器的电化学机理? 半导体气敏传感器的电化学机理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反 应导致敏感元件阻值变化而制成的。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)。当半导 体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)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 电荷层。例如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。

烟雾报警器

酒精传感器

二氧化碳传感器

3.2 气敏电阻传感器
3.2.2 气敏电阻传感器的结构 气敏电阻传感器通常由气敏电 阻、加热器和封装体等三部分 组成。气敏电阻从制造工艺上 可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三类。右图所示为典型的烧 结型气敏传感器的结构示意图。 它由塑料底座、电极引线、气 敏元件(烧结体)、双层不锈 钢网(防爆用)以及包裹在烧 结体中的两组铂丝(一组为工 作电极,另一组为加热电极) 组成。

3.2 气敏电阻传感器
说明:
(1)气敏电阻的材料不象通常用的硅或锗材料,而是金属氧化物。制作 时也不是通过硅或锗材料掺杂形成半导体,而是在合成材料时,通过 化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。 金属氧化物半导体也分N型半导体,如SnO2、ZnO、Fe2O3等;P 型半导体,如CoO、PbO、NiO等。为了提高某种气敏元件对某些气 体成分的选择性和灵敏度,合成这些材料时,还掺入催化剂,如钯Pd、 铂Pt、钛Ti、银Ag等。 (2)加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉,加 速气体的吸附,提高其灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在 200℃~400℃左右,加热方式一般有直热式和旁热式两种,因而形成 了直热式和旁热式气敏元件。

500 400 300 200 100 0

U(mV)

t(℃ )
100 200 300 400 500 600 气敏电阻灵敏度与温度的关系

图2.4.1

气敏电阻的温度特性如图2.4.1所示,图中纵坐标为灵敏度, 即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。由 曲线可以看出,SnO2在室温下虽能吸附气体,但其电导率变 化不大。但当温度增加后,电导率就发生较大的变化,因此 气敏元件在使用时需要加温。 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 增强对气体种类的选择性。

半导体气敏传感器类型及结构? 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
氧氧烧 电电(铂加) 氧氧氧氧氧烧 0.5 mm 电电

m m 3

0.6 mm

绝绝氧氧 加加加 玻玻(尺尺尺1 mm,也也也也 氧氧烧器) 加加加 电电 3 mm

(a)

(b)

气敏半导体传感器的器件结构? (a) 烧结型气敏器件; (b) 薄膜型器件; (c) 厚膜型器件

0.5 3 3 (单单: mm)

氧氧氧氧氧烧 Pt电电 氧氧氧氧氧 7 加器加加器器加加加(印印 厚厚电厚)

(c)
气敏半导体传感器的器件结构? (a) 烧结型气敏器件; (b) 薄膜型器件; (c) 厚膜型器件

图(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2 半导体材料为基 体,将铂电极和加热丝埋入SnO2 材料中,用加热、加压、温度 为700~900℃的制陶工艺烧结成形。因此,被称为半导体陶瓷, 简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1?m左右,晶粒的大小对电 阻有一定影响,但对气体检测灵敏度则无很大的影响。烧结型 器件制作方法简单,器件寿命长;但由于烧结不充分,器件机 械强度不高,电极材料较贵重,电性能一致性较差,因此应用 受到一定限制。

图(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺,在石英基片 上形成氧化物半导体薄膜(其厚度约在100nm以下),制作方法 也很简单。 实验证明,SnO2半导体薄膜的气敏特性最好, 但这 种半导体薄膜为物理性附着,因此器件间性能差异较大。

图(c)为厚膜型器件。这种器件是将氧化物半导体材料与硅 凝胶混合制成能印刷的厚膜胶,再把厚膜胶印刷到装有电极的 绝缘基片上,经烧结制成的。由于这种工艺制成的元件机械强 度高,离散度小,适合大批量生产。 ? 这些器件全部附有加热器,它的作用是将附着在敏感元件 表面上的尘埃、油雾等烧掉,加速气体的吸附,从而提高器件 的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃?? 左右。

由于加热方式一般有直热式和旁热式两种,因而形成了直热式和 旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如下图所示。直 热式器件是将加热丝、测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结 而成的,工作时加热丝通电,测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小,可以在高电压回路下 使用, 但热容量小, 易受环境气流的影响,测量回路和加热回 路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS#109型 气敏传感器均属此类结构。

1 SnO 2烧烧烧 1 2 3 4 Ir—Pd合合加 (加加加加电电) (a)

3

1 3

2

4 (b)

2 4

图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构; (b) 符号

旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示,它的特点是将 加热丝放置在一个陶瓷管内,管外涂梳状金电极作测量极,在金 电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式 结构的缺点,使测量极和加热极分离,而且加热丝不与气敏材料 接触,避免了测量回路和加热回路的相互影响,器件热容量大, 降低了环境温度对器件加热温度的影响,所以这类结构器件的稳 定性、可靠性都较直热式器件好,国产QM-N5型和日本费加罗 TGS#812、813型等气敏传感器都采用这种结构。

引引 电电 加加加 绝绝绝绝
(a)

引引 测测 电电 加加加
(b)

电电 SnO 2烧烧烧

加加加

图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构; (b) 符号

从图中可以看出,元件对不同气体的敏感程度不同,如对乙醚、乙醇、 从图中可以看出,元件对不同气体的敏感程度不同,如对乙醚、乙醇、 氢气等具有较高的灵敏度,而对甲烷的灵敏度较低。 氢气等具有较高的灵敏度,而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓 度增加,元件阻值明显增大,在一定范围内呈线性关系。 度增加,元件阻值明显增大,在一定范围内呈线性关系。

SnO2主要性能参数 A
标志元件性能的主要能数有: 1、电阻R0和Rs 固有电阻R0表示气敏元件在 正常空气条件下(或洁净条 件下)的阻值,又称正常电 阻。 工作电阻Rs代表气敏元件在 一定浓度的检测气体中的阻 值。 2、灵敏度K
3、响应时间trcs 响应时间t 把从元件接触一定浓度的被测气 体开始到其阻值达到该浓度下稳 定阻值的时间,定义为响应时间, 定阻值的时间,定义为响应时间, 表示。 用trcs表示。 4、恢复时间trcc 恢复时间t 把气敏元件从脱离检测气体开始, 把气敏元件从脱离检测气体开始, 到期阻值恢得到正常空气中阻值 的时间,定义为恢得时间,用 表示。 trcc表示。 实际上, 实际上,常用气敏元件从接触或 脱离检测气体开始, 脱离检测气体开始,到其阻值或 阻值增量达到某一确定值的时间, 阻值增量达到某一确定值的时间, 例如, 例如,气敏元件阻值增量由零变 化到稳定增量的63%所需的时间, 63%所需的时间 化到稳定增量的63%所需的时间, 定义为响应时间和恢复时间。 定义为响应时间和恢复时间。

气敏元件的灵敏度通常 用气敏元件在一定浓度 的检测气体中的电阻与 正常空气中的电阻之比 来表示灵敏度K。

Rs k= Ro

SnO2主要性能参数 B
5、加热电阻RH 和加热功率PH 加热电阻R 和加热功率P 为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻,用RH表示。气 为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻, 表示。 敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率, 表示。 敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率,用PH表示。 6、洁净空气电压U0 洁净空气电压U 在洁净空气中,气敏元件负载电阻上的电压,定义为洁净空所中电压, 在洁净空气中,气敏元件负载电阻上的电压,定义为洁净空所中电压, 表示。 用U0表示。U0与R0的关系为

U 0 RL U C RL U0 = 或R0 = ? RL R0 + RL U0

式中U ——测试回路电压 测试回路电压; 式中UC——测试回路电压; 负载电阻。 RL——负载电阻。 负载电阻

SnO2主要性能参数 C
7、标定气体中电压Ucs 标定气体中电压U 气敏元件在不同气体、不同浓度条件下, SnO2 气敏元件在不同气体、不同浓度条件下,其阻值将相应发 生变化。因此,为了给出元件的特性, 生变化。因此,为了给出元件的特性,一般总是在一定浓度的 气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体,例如,QM气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体,例如,QM-N5气 敏元件用0 丁烷(空气稀释)为标定气体,TGS813 813气敏元件 敏元件用0.1%丁烷(空气稀释)为标定气体,TGS813气敏元件 甲烷(空气稀释)为标定气体等等。在标定气体中, 用0.1%甲烷(空气稀释)为标定气体等等。在标定气体中,气 敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压, 敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压 , 用 Ucs表示 显然,Ucs与元件工作电阻Rs相关 表示。 与元件工作电阻Rs Ucs表示。显然,Ucs与元件工作电阻Rs相关
U cs = U c RL U R 或R s = Uc cs L ? RL Rs + RL

8、电压比Ku 电压比Ku 电压比是表示气敏元件对气体敏感特性,与气敏元件灵敏度相关。 电压比是表示气敏元件对气体敏感特性,与气敏元件灵敏度相关。它的物 理意义可按下式表示。 理意义可按下式表示。 U
K=
c1

(10-26) 10-26) 式中, 气敏元件在接触浓度为c 式中,Uc1和UC2——气敏元件在接触浓度为 1和c2的标定气体时负载电阻 和 气敏元件在接触浓度为 上电压的稳定值。 上电压的稳定值。

U c2

SnO2主要性能参数 D 9、回路电压Uc 回路电压Uc 测试SnO 气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压, 测试SnO2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压,用Uc 表示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。 表示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据 此电压值,可以选负载电阻,并对气敏元件输出的信号进行 此电压值,可以选负载电阻, 调整。对旁热式SnO 气敏元件,一般取Uc=10V Uc=10V。 调整。对旁热式SnO2气敏元件,一般取Uc=10V。 10、初期稳定时间 10 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。(2Min)

SnO2传感器主要性能参数 SnO2传感器主要性能参数 电阻R 灵敏度K 3、响应时间trcs 3、响应时间t 1、电阻R0和RS 2、灵敏度K 恢复时间t 加热电阻R 和加热功率P 4、恢复时间trcc 5、加热电阻RH和加热功率PH 6、初期恢复特性 7、初期稳定特性
电路设计过程中必须考虑初期恢复时间和初期稳定时间

8、基本测试电路
测试电路包括气敏元件的加热回路和测试回路

3.2 气敏电阻传感器
3.2.3 气敏电阻传感器的应用 气敏电阻传感器主要用于制作报警器及 控制器。作为报警器,超过报警浓度时, 发出声光报警;作为控制器,超过设定浓 度时,输出控制信号,由驱动电路带动继 电器或其他元件完成控制动作。

气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测 现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以 其工作条件较恶劣, 而且气体对传感元件的材料会产生化学反 应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。因此,对气敏 元件有下列要求:能长期稳定工作,重复性好,响应速度快, 共存物质产生的影响小等。用半导体气敏元件组成的气敏传感 器主要用于工业上的天然气、煤气,石油化工等部门的易燃、 易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。

3.2 气敏电阻传感器
1.油舱防爆报警器
图3-5为油舱防爆报警器电原理图。氧气探头由 气敏元件,R1及4V蓄电池等组成。RP为防爆报警设 定电位器。当氧气浓度超过某一设定值时,RP输出 RP 信号通过二极管VD1加到三极管VT1基极上,VT1导 通,VT2、VT3便开始工作。VT2、VT3为互补式自 激多谐振荡器,它们的工作使继电器吸合与释放,信 号灯闪光报警。

3.2 气敏电阻传感器

3.2 气敏电阻传感器
2.简易酒精测试器
如图3-6所示为简易酒精测试器。此电路中采用TGS812型酒精 传感器,对酒精有较高的灵敏度(对一氧化碳也敏感)。其加热及工 作电压都是5V,加热电流约为125mA。传感器的负载电阻为R1及R2, 其输出直接接LED显示驱动器LM3914。当无酒精蒸气时,其上的输 出电压很低;随着酒精蒸气的浓度增加,输出电压也上升,则 LM3914的LED(共10个)亮的数目也增加。 此测试器工作时,人只要向传感器呼一口气,根据LED亮的数目可 知是否喝酒,并可大致了解饮酒多少。调试方法是让在24小时内不饮 酒的人呼气,调节R2使LED中仅1个发光,即可。若更换其他型号传 感器时,参数也要改变。

3.2 气敏电阻传感器

QM-J3型半导体气敏元件 QM-J3型半导体气敏元件 QM-J3型半导体气敏元件是以金属氧化 1) 工作原理 物ZnSnO3为主体材料的N型半导体气敏元件,当元件接触还 原性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 用于乙醇、酒精等有机液体蒸气的检测; 2) 特点 对汽油蒸汽有抗干扰能力;灵敏度高;响应速度快;寿命 长,工作稳定可靠。

3.2 气敏电阻传感器
3.自动空气净化换气扇
利用SnO2气敏器件,可以设计用于空气净化 的自动换气扇。图3-7是自动换气扇的电路原理图。 当室内空气污浊时,烟雾或其他污染气体使气敏 器件阻值下降,晶体管VT导通,继电器动作,接 通风扇电源,可实现电扇自动启动,排放污浊气 体,换进新鲜空气的功能;当室内污浊气体浓度 下降到希望的数值时,气敏器件阻值上升,VT截 止,继电器断开,风扇电源切断,风扇停止工作。

3.2 气敏电阻传感器

图3-7 自动空气换气扇

自动空气清新器 1)基本原理 1)基本原理 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。

图 空气自动清新器电路原理图

电路分为两部分,以QM-N5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B点电位升高使VT1饱和导通,起到了检 测开关的作用。Rt为负温度系数热敏电阻,用来补偿QM-N5由于温度变化引起的偏差。以 TWH8751为中心器件的电路组成负氧离子发生器,其振荡频率约为1KHz,在T2次级可得到

5kV左右的高压。放电端采用开放式,大大提高了负氧离子的浓度,减小了臭氧 的浓度,使到达外面的负氧离子增加,TWH8751的②脚即同相输入端为高电位时, 振荡器停振,在正常室内环境下,A、B之间电阻很大,B点电位很低,VT1截止, TWH8751的 ②脚为高电位,振荡器不工作,没有负离子产生;当室内的有害气 体浓度超过了RP设定的临界值,VT1饱和导通,TWH8751的②脚呈低电位,振荡 器起振,产生负氧离子。在一定程度上负离子可以消除室内的烟雾,达到清新 空气利于身体健康的目的。 2) 元器件选择与制作 1) 原理 QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏 元件,当元件接触还原性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 2) 特点 用于可燃性气体的检测(CH4、C4H10、H2等);灵敏度高;响应速 度快;输出信号大;寿命长,工作稳定可靠。 T2用14吋行输出变压器改制,其高压包不动,将低压绕组线圈全部拆除,用Φ =0.6mm漆包线重绕45匝。其它元器件无特殊要求。放电端子用大头针做 成, 在长170mm、宽40mm的敷铜板上钻三排眼,每排16个,均为Φ=1mm。将大头针 一一插入孔中并焊牢,要使焊点圆滑,不能有毛刺。挑选大头针时 要注意长短 一致,且尖头越尖越好。整机装入一个180×110×80(mm3)的ABS工程塑料盒 中。使用时,可调节RP旋钮以使整机有合适的灵敏度。将本装置放常抽烟的地 方如茶几、写字台上,对于冬天室内生火的家庭,晚上可将它放在床头,保持 睡眠时的空气清新。

矿灯瓦斯报警器器
矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上, 矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上,使普通矿灯兼具照明与瓦斯报 警两种功能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、 警两种功能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、 报警点控制电路和报警信号电路构成。如传感器故障的情况下, 报警点控制电路和报警信号电路构成。如传感器故障的情况下,矿灯 每十秒钟闪一次。当矿灯在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时, 每十秒钟闪一次。当矿灯在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时, 矿灯每秒闪一次。 矿灯每秒闪一次。

图 矿井瓦斯超限报警器

表3-1 半导体气敏传感器的各种检测对象气体

本章小结
本章主要介绍几种常用的电阻式传感器:电位 器,应变式传感器,压阻式传感器,气敏传感器 的结构原理及基本应用。 要求同学重点掌握应变式传感器的结构原理及 基本应用。 本章难点是有关应变片的粘贴原则、压阻片的 制作工艺及气敏电阻在使用时的型号选择等。


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