半导体式气体传感器/气体传感器的领军企业费加罗技研

何谓气体传感器 ~气体传感器的检测原理~

所谓气体传感器,是一种可以检查出目视不到的气体存在的传感装置。在以家用天燃气·丙烷气体报警器为主的空调与空气洁净器、汽车等领域广泛得到应用。现在对我公司最擅长的3中气体检测原理进行说明。

  • 半导体式
  • 催化燃烧式
  • 电化学式

简单的架构

STEP1

在洁净的空气中,氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子,造成电子难以流动的状态。

STEP2

在泄漏的气体(还原性气体)环境中,表面的氧与还原气体反应后消失,氧化锡中的电子重获自由,受此影响,电子流动通畅。

传感器的检测原理

当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时,氧气捕捉粒子中的电子后,吸附于粒子表面。结果,在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小,因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭(volume depletion)。相反,把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭(regional depletion)。
使氧气分压从零(flat band开始按照小([O-](Ⅰ))→中([O-](Ⅱ))→大([O-](Ⅲ)))的顺序上升时,能带结构与电子传导分布的变化如下图所示([O-]:吸附的氧气浓度)。在容衰竭(volume depletion)状态下,电子耗尽层的厚度变化结束,产生费米能级转换pkT,电子耗尽状态往前推进则pkT增大,后退则pkT缩小。

■ 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进

能带结构

x : 半径方向的距离
qV(x) : 势垒
a : 离子半径
[O-] : 吸附氧气的浓度
EC : 传导带下端
EF : 费米能级
pkT : 费米能级转换

传导电子分布

[e] : 电子浓度
Nd : 施子密度

容衰竭(volume depletion)状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e]S可用施子密度Nd、粒子半径a以及德拜长度LD通过式子(1)表示。如果p增大则[e]S减少,p减少则[e]S增大。

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

由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R,可使用flat band时的电阻值R0,通过式子(2)表示。[e]S减少则将增大,[e]S增大则将缩小。

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

使用了氧化锡的半导体式气体传感器,就是这样通过氧化锡粒子表面的[O-]的变化来体现电阻值R的变化。

置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子,一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中,其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后,使[O-]减少,结果是[e]S增大,R缩小。消除还原性气体后,[O-]增大到暴露于气体前的浓度,R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。

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

使用要求与注意事项

  • 使用时请务必阅读我公司的产品技术资料,对产品规格与使用条件进行确认。
  • 设计时要注意避免当电路上其他电子部件发生短路、开路等异常状况时给气体传感器带来超过额定值的电压、电流与温度。
  • 设计时要注意避免因气体传感器的故障而影响到其他的部件,直接或间接导致使用了气体传感器的机器产生误动作、冒烟、起火或其他不稳定的状态,使机器的安全性受损。
  • 如有必要,敬请考虑采取设置类似于保护电路这样的故障保护安全措施。

有关安全使用的注意事项

关于使用电压
如果向传感器施以超过额定值的电压(电路电压以及加热器电压),将可能发生引线熔断、或即使未出现熔断也会产生影响传感器特性的隐患。因此,只要产生过哪怕仅一次过电压的传感器也不要再行使用。
关于使用环境
  • 如果传感器在硅系材料的粘接剂、发胶、橡胶、腻子近旁使用的话,硅会被吸附于传感器表面,有可能对传感器特性产生影响。
  • 碱金属的污染(尤其是盐水喷雾)有可能使气体传感器的特性发生很大的变化。基本上其他的无机元素产生的污染也可能导致同样的结果。
  • 如果传感器表面结露,水分长时间滞留在传感器表面的话,有可能发生特性变化。不过,当设置于室内环境时的轻微结露不会有问题。
  • 当水分在传感器表面结冰时,有可能导致传感器表面发生裂纹。
    如果长时间暴露于极端的高温潮湿环境中,传感器无论通电与否,都有可能对其特性产生影响。
  • 气体传感器在氧浓度为零或氧浓度很低的环境中无法正常动作。通常大气中所含的氧浓度是必要的。
如何处理
  • 将传感器浸入水中、或将水洒到传感器上的话,有可能对传感器的特性造成影响。
  • 如果传感器从1米以上的高度掉落到混凝土这样坚硬的地面时,有可能发生断线的情况。即使没有断线,我们也不建议继续使用发生过掉落撞击的传感器
关于保管方法
如果将传感器在未通电的状态下长时间保存在大气环境中,传感器的电阻值可能有变高的趋向,虽然将其通电后传感器电阻值有可能恢复到原来的水平,但我们还是希望传感器需要长期保存时,要尽量使用没有气味、不产生气体的包装材料中密封保管。
如果将传感器保管于存在酒精类、丙酮、挥发油等物质的环境氛围中,这些杂质气体会吸附在传感器表面可能使传感器特性暂时发生变化。传感器需要长期保存时,要尽量使用不产生杂质气体的包装材料进行密封保管。
安装时的注意事项
  • (1) 建议使用的助焊剂:氯含量最小的松香助焊剂
    (2) 搬运速度: 1~2m/分
    (3) 预热温度: 100±20℃
    (4) 焊锡槽温度: 250±10℃
    (5) 焊锡槽容许使用次数: 最多2次
    将传感器焊接到基板时,如果使用焊锡槽,焊锡产生的高浓度助焊剂有可能对传感器特性产生影响。我们建议手焊操作。(量产时考虑使用焊锡槽的话,请用试验组进行确认),例如,在制造工序当需要使用气动改锥时,如果施加让引线共振的振动可能产生断线的情况。量产时考虑使用的话,要先行用试验组进行确认。
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  • 催化燃烧式
  • 电化学式