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Figaro的三種氣體傳感器檢測原理介紹

智能傳感 ? 2018-09-20 20:40 ? 次閱讀

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調(diào)理,通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器在以家用天燃?xì)狻け闅怏w報(bào)警器為主的空調(diào)與空氣潔凈器、汽車等領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用。現(xiàn)在工采網(wǎng)小編對Figaro最擅長的3種氣體檢測原理進(jìn)行說明。

半導(dǎo)體氣體傳感器簡單的架構(gòu)

STEP1

在潔凈的空氣中,氧化錫表面吸附的氧會束縛氧化錫中的電子,造成電子難以流動的狀態(tài)。

STEP2

在泄漏的氣體(還原性氣體)環(huán)境中,表面的氧與還原氣體反應(yīng)后消失,氧化錫中的電子重獲自由,受此影響,電子流動通暢。

半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測原理

當(dāng)氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時(shí),氧氣捕捉粒子中的電子后,吸附于粒子表面。結(jié)果,在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由于氣體傳感器使用的氧化錫粒子一般都很小,因此在空氣中整個(gè)粒子都將進(jìn)入電子耗盡層的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為容衰竭(volume depletion)。相反,把粒子中心部位未能達(dá)到耗盡層的狀態(tài)稱為域衰竭(regional depletion)。
使氧氣分壓從零(flat band開始按照小([O-](Ⅰ))→中([O-](Ⅱ))→大([O-](Ⅲ)))的順序上升時(shí),能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導(dǎo)分布的變化如下圖所示([O-]:吸附的氧氣濃度)。在容衰竭(volume depletion)狀態(tài)下,電子耗盡層的厚度變化結(jié)束,產(chǎn)生費(fèi)米能級轉(zhuǎn)換pkT,電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大,后退則pkT縮小。

■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導(dǎo)體粒子的耗盡狀態(tài)在推進(jìn)

能帶結(jié)構(gòu)

x:半徑方向的距離qV(x):勢壘a:離子半徑[O-]:吸附氧氣的濃度EC:傳導(dǎo)帶下端EF:費(fèi)米能級pkT:費(fèi)米能級轉(zhuǎn)換

傳導(dǎo)電子分布

[e]:電子濃度Nd:施子密度

容衰竭(volume depletion)狀態(tài)下球狀氧化錫粒子表面的電子濃度[e]S可用施子密度Nd、粒子半徑a以及德拜長度LD通過式子(1)表示。如果p增大則[e]S減少,p減少則[e]S增大。

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

由大小、施子密度相同的球狀氧化錫粒子組成的傳感器的電阻值R,可使用flat band時(shí)的電阻值R0,通過式子(2)表示。[e]S減少則將增大,[e]S增大則將縮小。

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

使用了氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器,就是這樣通過氧化錫粒子表面的[O-]的變化來體現(xiàn)電阻值R的變化。

置于空氣中被加熱到數(shù)百度的氧化錫粒子,一旦暴露于一氧化碳這樣的還原性氣體中,其表面吸附的氧氣與氣體之間發(fā)生反應(yīng)后,使[O-]減少,結(jié)果是[e]S增大,R縮小。消除還原性氣體后,[O-]增大到暴露于氣體前的濃度,R也將恢復(fù)到暴露于氣體前的大小。使用氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器就是利用這個(gè)性能對氣體進(jìn)行檢測。

參考文獻(xiàn):Noboru Yamazoe, Kengo Shimanoe, Basic approach to the transducer function of oxide
semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B 160 (2011) 1352-1362

催化燃燒式氣體傳感器檢測原理

催化燃燒式氣體傳感器由對可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測片(D)和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償片(C)2個(gè)元件構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話,只有檢測片可以燃燒,因此檢測片溫度上升使檢測片的電阻增加。
相反,因?yàn)檠a(bǔ)償片不燃燒,其電阻不發(fā)生變化(圖1)。這些元件組成惠斯通電橋回路(圖2),不存在可燃?xì)怏w的氛圍中,可以調(diào)整可變電阻(VR)讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。
然后,當(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時(shí),只有檢測片的電阻上升,因此電橋回路的平衡被打破,這個(gè)變化表現(xiàn)為不均衡電壓(Vout)而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關(guān)系,因此可以通過測定電壓而檢出氣體濃度。

■ (圖1)測定電路

■ (圖2)測試電路

■ (圖3)

電化學(xué)氣體傳感器:傳感器元件構(gòu)成與電極反應(yīng)式


傳感器由來自貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)CO等檢測對象氣體存在時(shí),在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發(fā)生(1)式所示的反應(yīng)。

CO + H2O → CO2+ 2H+ + 2e- …(1)

檢測極與對極接通電流(短路)后,檢測極產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)與同時(shí)產(chǎn)生的電子(e-)分別通過離子傳導(dǎo)體與外部電線(引線)各自到達(dá)對極,在對極上與空氣中的氧之間發(fā)生(2)式所示的反應(yīng)。

(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …(2)

也就是說此傳感器構(gòu)成了由(1)(2)反應(yīng)式形成的(3)反應(yīng)式的全電池反應(yīng),可以認(rèn)為是將氣體作為活性物質(zhì)的電池。

CO + (1/2)O2 → CO2 …(3)

當(dāng)做氣體傳感器使用時(shí),接通檢測極與對極的電流,來測定其短路電流。

CO濃度檢測原理公式

對流過外部電路的短路電流與氣體濃度的關(guān)系,通過傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散控制(控制氣體的流入量),呈現(xiàn)出式子(4)這樣的比例關(guān)系(右圖)。

I = F × (A/σ) × D × C × n …(4)

這里 I:短路電流;A:擴(kuò)散孔面積;σ:擴(kuò)散層長度;D:氣體擴(kuò)散系數(shù);C:氣體濃度;n:反應(yīng)的電子數(shù)量

特長

反應(yīng)式(1)所示的氧化電位由于比氧化電極電位的基準(zhǔn)值(2H+ + 2e- ? H2)要低(擁有較低電位),因此此反應(yīng)不需要消耗來自外部的電壓、溫度等其他能量,可以有選擇地進(jìn)行,與別的檢測方式相比在干擾性、重復(fù)性、節(jié)電方面要優(yōu)越得多。

氣體傳感器使用要求與注意事項(xiàng)

  • 使用時(shí)請務(wù)必閱讀Figaro公司產(chǎn)品技術(shù)資料,對產(chǎn)品規(guī)格與使用條件進(jìn)行確認(rèn)。

  • 設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免當(dāng)電路上其他電子部件發(fā)生短路、開路等異常狀況時(shí)給氣體傳感器帶來超過額定值的電壓、電流與溫度。

  • 設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免因氣體傳感器的故障而影響到其他的部件,直接或間接導(dǎo)致使用了氣體傳感器的機(jī)器產(chǎn)生誤動作、冒煙、起火或其他不穩(wěn)定的狀態(tài),使機(jī)器的安全性受損。

  • 如有必要,敬請考慮采取設(shè)置類似于保護(hù)電路這樣的故障保護(hù)安全措施。

關(guān)于使用安全注意事項(xiàng)

  • 關(guān)于使用電壓

  • 如果氣體傳感器被施加了超過額定值的電壓,即使未出現(xiàn)斷線與物理性損傷的情況,也有可能發(fā)生傳感器特性受到影響的情況。氣體傳感器一旦有過過電壓經(jīng)歷,請不要使用。

  • 關(guān)于使用溫度

  • 請不要在超過額定溫度的高溫下使用氣體傳感器。在超過額定溫度的高溫環(huán)境下電極膜會劣化,傳感器的特性很有可能會受到影響。

  • 關(guān)于使用環(huán)境


    • 氣體傳感器如果受到堿金屬的污染,氣體傳感器的特性有可能受到顯著影響。尤其要避開鹽水噴霧。

    • 如果暴露于氨氣等堿性高濃度氣體中,氣體傳感器的特性很有可能受到影響,因此要避免出現(xiàn)這樣的情況。

    • 要避免在有可能使用了硅粘結(jié)劑與含有硅的發(fā)膠、硅橡膠、硅膩?zhàn)拥膱鏊褂没虮9軞怏w傳感器。從含硅的產(chǎn)品蒸發(fā)出來的硅蒸汽有可能引起傳感器內(nèi)部氣體流入通道的堵塞。

    • 氣體傳感器內(nèi)部與表面如果持續(xù)長時(shí)間大量結(jié)露的話,可能會引起氣體流入通道的堵塞與氣體敏感膜的劣化情況發(fā)生。正常的室內(nèi)環(huán)境中產(chǎn)生的輕微結(jié)露對氣體傳感器不會產(chǎn)生重大的影響。

    • 如果氣體傳感器暴露于硫化氫與硫酸系氣體環(huán)境時(shí),有可能出現(xiàn)內(nèi)部的氣體擴(kuò)散膜與蓋帽、或本體受到腐蝕,氣體傳感器受損的情況。

    • 氣體傳感器如果暴露于酒精類、丙酮、揮發(fā)油等產(chǎn)生的有機(jī)物蒸汽中,氣體敏感部吸附有機(jī)物蒸汽,可能會發(fā)生傳感器特性短時(shí)間變化的情況。

    • 氣體傳感器如果暴露于極度的粉塵與油性氣霧中,有可能在氣體傳感器內(nèi)部發(fā)生孔眼堵塞的情況。如果可以預(yù)知是這樣的使用環(huán)境,建議在氣體傳感器的上部加裝外接過濾器。

    • 當(dāng)在低溫環(huán)境中發(fā)生快速凍結(jié)的情況時(shí),氣體傳感器內(nèi)部可能發(fā)生漏水對氣體傳感器的特性產(chǎn)生影響。尤其是當(dāng)把蓋帽朝下設(shè)置于機(jī)器中的時(shí)候,很容易發(fā)生這樣的情況。

  • 如何處理


    • 請不要將傳感器浸入水中、或?qū)⑺疄⒌絺鞲衅魃希駝t有可能對傳感器的特性造成影響。

    • 如果讓氣體傳感器受到強(qiáng)烈震動或撞擊,其內(nèi)部可能會發(fā)生斷線或短路等情況。

    • 請不要隨意分解氣體傳感器,也不要使本體與蓋帽部位發(fā)生變形。

  • 關(guān)于保管方法

  • 如果將氣體傳感器放置在密封袋這樣密閉性很強(qiáng)的容器內(nèi)保管的話,因周圍溫度的變化氣體傳感器內(nèi)部可能出現(xiàn)結(jié)露的情況。

  • 設(shè)計(jì)應(yīng)用機(jī)器時(shí)的注意事項(xiàng)

  • 出現(xiàn)零度以下的低溫時(shí)水槽里的水有可能結(jié)冰凍結(jié),一般情況下結(jié)冰不會對氣體傳感器的特性產(chǎn)生影響,但水結(jié)冰后體積增大有可能使氣體傳感器胴體發(fā)生變形的情況出現(xiàn)。設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要注意防止氣體傳感器因結(jié)冰變形后與配置在周圍的其它電子產(chǎn)品和電路基板發(fā)生接觸。

  • 安裝時(shí)的注意事項(xiàng)


    • 用焊錫將傳感器焊接到電路基板時(shí),如果使用焊錫槽,焊錫產(chǎn)生的高濃度助焊劑蒸汽有可能對傳感器特性產(chǎn)生影響。我們建議手焊操作。考慮使用焊錫槽的話,請?jiān)诹慨a(chǎn)前用試驗(yàn)組預(yù)先對傳感器特性可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行確認(rèn)。

    • 為提高對濕度的耐受性、對氣體的耐受性而用樹脂涂膜時(shí),樹脂所含的化學(xué)成分溶劑可能會引起特性下降的情況發(fā)生。


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