一、接触燃烧式气体传感器
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,电阻值相应增大。一般情况下,空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10%),可燃性气体可以完全燃烧,其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大,氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多,铂丝的温度变化(增高)愈大,其电阻值增加的就越多。因此,只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR),就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是,使用单纯的铂丝线圈作为检测元件,其寿命较短,所以,实际应用的检测元件,都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命,又可以提高检测元件的响应特性。
接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件;F2是补偿元件,其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时,要求在F1和F2上保持100mA~200mA的电流通过,以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时,由于剧烈的氧化作用(燃烧),释放出热量,使得检测元件的温度上升,电阻值相应增大,桥式电路不再平衡,在A、B间产生电位差E。
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。
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:原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。
1、半导体气敏元件的特性参数
(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。