三 氣敏傳感器及氣敏元件
教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實驗。由于氣體與人類的日常生活密切相關,對氣體的檢測已經是保護和生態居住*手段,氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。例如生活中的濃度達0.8~1.15 ml/L時,就會出現呼吸急促,脈搏加快,甚至暈厥等狀態,達1.84ml/L時則有在幾分鐘內死亡的危險,因此對檢測必須快而準。利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料,通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒,并以此為基體摻雜一定催化劑,經適當燒結工藝進行表面修飾,制成旁熱式燒結型CO元件,能夠探測0.005%~0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃氣體、酒精氣體、汽車尾氣等有體的進行探測的傳感器。常用的主要有式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層),使用時對鉑絲通以電流,保持300℃~400℃的高溫,此時若與可燃性氣體,可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上,因此鉑絲的溫度會上升,鉑絲的電阻值也上升;通過測量鉑絲的電阻值變化的大小,就知道可燃性氣體的濃度。電化學氣敏傳感器一般利用(或固體、有機凝膠等)電解質,其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流,也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢。半導體氣敏傳感有靈敏度高、響應快、性好、使用簡單的特點,應用極其廣泛;下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件。
半導體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小;P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料,屬于N型半導體,在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧,形成氧的負離子吸附,使半導體中的電子密度,從而使其電阻值。當遇到有能供給電子的可燃氣體(如CO等)時,原來吸附的氧脫附,而由可燃氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面;氧脫附放出電子,可燃體以正離子狀態吸附也要放出電子,從而使氧化物半導體導帶電子密度,電阻值下降。可燃性氣體不存在了,金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附,使電阻值升高到初始狀態。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。
目前國產的氣敏元件有2種。一種是直熱式,加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內;旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底,管內穿加熱絲,管外側有兩個測量極,測量極之間為金屬氧化物氣敏材料,經高溫燒結而成。
氣敏元件的參數主要有加熱電壓、電流,測量回路電壓,靈敏度,響應時間,恢復時間,標定氣體(0.1%丁烷氣體)中電壓,負載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、、氨氣、煙霧等的檢測,屬于N型半導體元件。靈敏度較高,性,響應和恢復時間短,市場上應用廣泛。QM-N5氣敏元件參數如下:標定氣體(0.1%丁烷氣體,佳工作條件)中電壓≥2V,響應時間≤10S,恢復時間≤30S,佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負載電阻RL為2K,允許工作條件加熱電壓4.5~5.5V、測量回路電壓5~15V、負載電阻0.5~2.2K。下圖為氣敏元件的簡單電路(組成傳感器),電壓表指針變化越大,靈敏度越高;只要加一簡單電路可實現。常見的氣敏元件還有MQ-31(于檢測CO),QM-J1酒敏元件等。
四 力敏傳感器和力敏元件
力敏傳感器的種類甚多,的測量是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術的發展,利用半導體材料的壓阻效應(即對其某一方向施加壓力,其電阻率就發生變化)和良好的彈性,已經研制出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器,廣泛用于壓力、加速度等物理力學量的測量。
五 磁敏傳感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍爾器件(基于霍爾效應)、磁阻器件(基于磁阻效應:外加磁場使半導體的電阻隨磁場的增大而。)、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎的磁敏傳感器在一些電、磁學量和力學量的測量中廣泛應用。
在一定意義上傳感器與人的感官有對應的關系,其感知能力已遠超過人的感官。例如利用目標自身紅外輻射進行觀察的紅外成像(夜像儀),黑夜中可1000米發現人,2000米發現車輛;熱像儀的核心部件是紅外傳感器。1991年海灣戰爭中,的坦克配置的夜視儀探測距離僅800米,還不及美英聯軍的一半,黑暗中被打得慘敗是必然的。目前各國都將傳感器技術列為優先發展的*的重點。為了大幅度提供傳感器的性能,將不斷采用新結構、新材料和新工藝,向小型化、集成化和智能的方向發展
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