電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本性能分析

1、按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本性能分析09 電本120091004106 成績：摘要：利用理論分析與參閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，了解電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)， 基本原理，推導(dǎo)氣敏傳感器的特性參數(shù)：電阻值，靈敏度，漂移等。能夠在充分研究理論 知識(shí)之后，學(xué)會(huì)簡單的應(yīng)用，設(shè)計(jì)電路，利用溫度補(bǔ)償降低其對(duì)傳感器穩(wěn)定性的影響。關(guān)鍵詞：電阻半導(dǎo)體氣敏傳感器基本原理特性參數(shù) 溫度補(bǔ)償The basic performance analysis of Resistance-type semiconductor gas sensorAbstractA

2、ccord ing to the theoretical an alysis, refer to the releva nt tech ni cal manual to un dersta ndthe structure of Resista nce-typesemic on ductor gas sen sor and its basic principles. Derive the characteristic parameters of gas sensors,like sensitivity, lin earity, drift, selectio n characteristics.

3、Maki ng full use of the theoretical kno wledge , learn simple applications to design a circuit for using the temperature compe nsati on to reduce its impact on the stability of the sen sor.KeywordsResistance-type semiconductorbasic principlescharacteristicparameters the temperature compensation引言氣敏傳

4、感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就獲得與待測氣體有關(guān)的信息，從而可以進(jìn) 行檢測。主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等重要部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制1。半導(dǎo)體氣敏傳感器的特性受多種條件影響。本文在探討傳感器的原理與特性參數(shù)之后，主要針對(duì)溫漂的現(xiàn)象提出簡單的解決方法。1、半導(dǎo)體氣敏傳感器的原理半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的2。是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性

5、和場效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來圖1-1為常見類型的傳感器實(shí)物圖。半導(dǎo)體氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三部分組成。電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器從制造工藝上可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類，如圖1-1所示。06圖1-1氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)（a）燒結(jié)型氣敏元件；（b）薄膜型器件；（c）厚膜元件；（d）多層結(jié)構(gòu)元件3、半導(dǎo)體氣敏傳感器的特性3.1氣敏傳感器的電阻值氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件（電阻型）的固有電阻值，表示為R A78。一般其固有電阻值在（103105） Q范圍9。氣敏元件一般工作在200 C以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻（指加熱器的電

6、阻值）稱為加熱電阻，用 RH直熱式的加熱電阻值一般小于5Q;旁熱式的加熱電阻大于20 Q 10。氣敏半導(dǎo)體時(shí)在接觸不同氣體時(shí)，工作于不同溫度下產(chǎn)生的器件阻發(fā)生值變化。3.2氣敏元件的靈敏度氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對(duì)于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)11。它表示氣體敏感元件的電參量與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種:(a)電阻比靈敏度K:K=Ra/RgRa 氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值；Rg 氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值氣體分離度a =Rc1/Rc2RC1 氣敏元件在濃度為CC的被測氣體中的阻值：R C 2氣敏元件在濃度為 C2的被測氣體中的阻值。通常，C1C2。輸出電壓比靈敏

7、度 KVKv=Va/VgVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出4、氣敏性能測試半導(dǎo)體氣體傳感器的檢進(jìn)而計(jì)算出氣敏元件的電阻值。計(jì)算公式如下:R = (Vc/Va-1)R LR = (Vc/V g-1)R L針對(duì)n型半導(dǎo)體，定義元件的靈敏度取定義(a)o A氣體對(duì)B氣體的選擇性系數(shù)可流過Rw的電流不變。這恒流值由下式?jīng)Q定，當(dāng)T = 25 C時(shí):按下式計(jì)算:R(A/B)=S(A)/S(B)= R g (B)/ R g (A)通過控制電阻絲兩側(cè)的加熱電壓，可獲得不同的工作溫度，得到不同的固有電阻和氣體靈敏度，以測定不同工作

8、狀態(tài)下的電阻-溫度特性(圖4-2)和靈度溫度特性(圖4-3)1213。圖4-2不同氣體下的溫度-電阻曲線圖4-3不同氣體下的溫度一一靈敏度曲線由以上兩圖可以得出兩個(gè)結(jié)論：隨著溫度的增高，氣體的阻值減??；氣敏傳感器對(duì)氣體的靈敏度隨著溫度的升高先增大后降低，在某一個(gè)溫度處表現(xiàn)出最大值。為減弱溫度對(duì)氣敏傳感器的影響，針對(duì)溫度補(bǔ)償目的設(shè)計(jì)了電路。溫度補(bǔ)償電路利用集成運(yùn)算放大器和 Pt熱電阻可以構(gòu)成自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路，其原理見圖4-1。圖4-1中A為集成運(yùn)算放大器Rt為PtIOO熱電阻,其阻值隨溫度的變化而變化。Vi為某在線分析儀器的檢測信號(hào)，這一信號(hào)也隨溫度的變化而變。圖5-1假設(shè)在常溫(T = 25

9、C ,Rt = 109. 73 Q )下，輸入信號(hào)Vi為最大值Vimax = 414mV固定不變，此時(shí)圖5-1電路可看作是恒流源電路。在圖5-1中，當(dāng)T = 25 C時(shí)同相輸入端輸入電壓V1和反相輸入端電壓V2的電位相等。V2 = V1 (3)如圖2中R1及R2的數(shù)據(jù)，同相輸入端輸入電壓 V1 :V1 =R/(R1 + R2)Vimax=10k Q /(43k Q + 10k Q ) X 414mV=78. 1mVV2 = 78. 1mV由圖2可知,V2是由Rf和Rt構(gòu)成的分壓器給定的，在T = 25 C時(shí),V2 =Rt (25C )*V0 (4)/(Rf + Rt (25C)由式可得輸出電壓

10、VO:VO =Rf + Rt (25C ) *V2 /Rt (25式中Rf = R3 + Rw ，代入式(5)VO =R3 + R3 + Rt (25 C )/Rt (25C) V2將 V2 = 78. 1mV，Rt = 109. 73Q，R3 = 1K Q，代入式，并假設(shè)Rw調(diào)定為Rw = 1. 5kQ，得:VO =1k=1.86VQ + 1.5k Q + 109. 73 Q /109. 73 Q X 78. 1mV圖5-1中電位器Rw用來調(diào)節(jié)放大器的電壓放大倍數(shù)，它與R3及其鉑熱電阻Rt構(gòu)成電壓負(fù)反饋電路，調(diào)節(jié)Rw時(shí)，雖然Rw阻值發(fā)生變化，但通過它的電流總是恒定不變的。這是因?yàn)殡S著Rw的增

11、大或減小。在輸入電壓不變的情況下，輸入電壓隨之增大或減小，因而保持I =V/R 將V1 = 78. 1mV ,Rt = 109. 73 ,代入式得：I =78. 1mV/109. 73Q=0. 7mA同理，在0 C(Rt = 100 Q )時(shí)，和在100 C(Rt =138. 5 Q )時(shí)，設(shè)輸入信號(hào)V1分別為最 大值 Vi max(0 C ) = 379mV 和 Vi max (100 C ) = 518mV ,并假設(shè)在常溫下 1.5K Q V2 ( 0 C ) = V1 ( 0 C )=R2/R1 + R2Vimax ( 0C )=10kQ /(43k Q + 10 Q )*379mV=7

12、1.5mVV2 (100 C )= V1 (100 C )=R2/R1 + R2Vimax (100C )=10kQ /(43k Q + 10k Q ) X 518mV=97. 7mVV0( 0 C )=R3 + RW + Rt (0 C )*V2 ( 0 C )/Rt (0 C)=1k Q + 1.5k Q + 100 Q /100 Q X 71. 5mV=1. 86VV0(100 C ) =R3 + RW + Rt (100 C )* V2 (100 C )/Rt (1000 C )=(1kQ + 1.5k Q + 138. 5 Q )/138. 5 Q X 97. 7mV=1.86VI(

13、0 C ) =V1 (0 C )/Rt (0 C )=71. 5mV/100 Q = 0. 7mAI(100 C )=V1 (100 C )/Rt (100 C )=97. 7mV/138. 5Q = 0. 7mA由上面計(jì)算結(jié)果可知，雖然Vimax從0 C時(shí)的379mV變化到100 C時(shí)的518mV ,Rt也從0 C時(shí)的100Q變化到100 C時(shí)的138. 5Q，但輸出電壓V0總是 恒定不變的。流過Rt的電流也保持不變，實(shí)現(xiàn)了所要求的功能。結(jié)論本文對(duì)氣敏傳感器的初步研究，加深了半導(dǎo)體氣敏傳感器原理，結(jié)構(gòu)以 及特性的理解。同時(shí)，設(shè)計(jì)了電路，提出溫度補(bǔ)償法，學(xué)會(huì)了氣敏傳感器的簡 單應(yīng)用。但是，并未

14、對(duì)氣敏傳感器有本質(zhì)的研究，未提出有效的對(duì)傳感器響應(yīng) 特征進(jìn)行修正的方法。所以，今后會(huì)沿著這個(gè)方向繼續(xù)深入探討研究。參考文獻(xiàn)：孫良彥。半導(dǎo)體氣敏元件的新進(jìn)展。傳感器技術(shù)。1990年第2期郁有文，常建，程繼紅傳感器原理與工程應(yīng)用.西安；西安電子科技大學(xué).2008.7劉湘軍，譚湘倩，浣石.金屬氧化物氣敏傳感器.廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2007.10. 第6卷第5期徐龍，周曉華，曹全喜.氧化物半導(dǎo)體的表面過程與氣敏機(jī)理.傳感器技術(shù).1991年第6期張 強(qiáng),管自生，電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器.儀表技術(shù)與傳感器.2006 No.6 劉愛華。傳感器原理與應(yīng)用技術(shù).人民郵電出版社。2010.11.1胡英，周曉

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