史媛 馮玉華 張俊蓮

摘 要：一般家庭廚房烹調(diào)熱源有煤氣、天然氣、石油液化氣等，因?yàn)檫@些可燃?xì)怏w的泄露、點(diǎn)火失誤等原因，造成爆炸、火災(zāi)和中毒死傷事故時(shí)有發(fā)生。為了保障生命和財(cái)產(chǎn)安全，要對(duì)廚房可燃?xì)怏w泄露進(jìn)行檢測和報(bào)警。

關(guān)鍵詞：氣體傳感器、環(huán)境監(jiān)測、智能家居

1 引言

在現(xiàn)代家居環(huán)境中，對(duì)環(huán)境量的檢測和控制正得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用?？諝獾馁|(zhì)量與人類的日常生活密切相關(guān)，對(duì)氣體的檢測是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少的手段。日常生活中人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要滴它們進(jìn)行檢測與控制，這些氣體有許多是易燃、易爆的氣體，如氫氣、一氧化碳、氟利昂、煤氣、天然氣、液化石油氣等。對(duì)氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著及其重要的作用。

氣體傳感器是一種把氣體（多數(shù)為氣體）中的特定成分檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，以便提供有關(guān)待測氣體的存在和濃度大小的信息。為防止常用氣體燃料如煤氣（H2、C0等）、天然氣（CH4等）、液化石油氣（C3H8、C4H10等）、C0等氣體泄露引起中毒、燃燒或爆炸，應(yīng)用可燃性氣體傳感器配上適當(dāng)電路制成報(bào)警器。目前在報(bào)警器上大都使用Sn02氣體傳感器。但在濕度較大的場合，如廚房等，宜使用α-Fe203氣體傳感器為核心的報(bào)警器，因?yàn)檫@類傳感器對(duì)濕度敏感性小，穩(wěn)定性較好。

氣體傳感器在家電中除用于可燃?xì)庑孤秷?bào)警、換氣扇、抽油煙機(jī)的自動(dòng)控制外，也用于微波爐、燃?xì)鉅t等家用電器中。在微波爐中常選用Sn02氣體傳感器，氣體傳感器測量出從食品中發(fā)出氣體的濃度，可根據(jù)事先對(duì)不同食品的特性，選擇負(fù)載電阻，實(shí)現(xiàn)烹調(diào)的自動(dòng)控制。在燃?xì)鉅t中常使用Zr02氣體傳感器測量燃空比。

2 半導(dǎo)體型氣體傳感器

半導(dǎo)體型氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏器件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，用來檢測氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導(dǎo)體型氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式倆大類。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制成敏感器件，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。目前有多孔質(zhì)燒結(jié)體、厚膜式和正在研制的薄膜式等幾種非電阻式半導(dǎo)體傳感器。

2.1 表面電阻控制型氣體傳感器

表面電阻控制型氣體傳感器表面電阻的變化，取決于表面原來吸附氣體與半導(dǎo)體材料之間的電子交換。通常器件工作在空氣中，在空氣中的O2和NO2這樣的電子兼容性大的氣體，接受來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，其結(jié)果表現(xiàn)為N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)率減少，從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦器件與被測氣體接觸，就會(huì)與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的幾個(gè)電子釋放出來，使敏感膜表面電導(dǎo)增加，使器件電阻減少。這種類型的傳感器多數(shù)是以可燃性氣體為檢測對(duì)象，但如果吸附能力強(qiáng)，即使是非可燃性氣體也能作為檢測對(duì)象。其具有檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 體電阻控制型氣體傳感器

體電阻控制型氣體傳感器是利用體電阻的變化來檢測氣體的半導(dǎo)體器件。很多氧化物半導(dǎo)體因?yàn)榛瘜W(xué)計(jì)量比偏離，即組成原子數(shù)偏離整數(shù)比的情況，如Fe1-xO、Cu2-xO或SnO2-x、ZnO1-x、TiO2-x。前者為缺金屬型氧化物，后者為缺氧型氧化物，統(tǒng)稱非化學(xué)計(jì)量化合物。它們是不同價(jià)態(tài)金屬的氧化物構(gòu)成的固溶體，其中x值由溫度和氣相氧分壓決定。因?yàn)檠醯倪M(jìn)出使晶體中晶格缺陷（結(jié)構(gòu)組成）發(fā)生變化，電導(dǎo)率隨之發(fā)生變化。缺金屬型為生成陽離子空位的P型半導(dǎo)體，氧分壓越高，電導(dǎo)率越大。與此相反，缺氧型氧化物為生成晶格間隙陽離子或生成氧離子缺位的N型半導(dǎo)體，氧分壓越高，電導(dǎo)率越小。體電阻控制型氣敏器件，因須和外界氧分壓保持平衡，或受還原性氣體的還原作用，致使晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)生變化，隨之體電阻變化。這種變化也是可逆的，當(dāng)待測氣體脫離后氣敏器件又恢復(fù)原狀。其檢測對(duì)象主要有液化石油氣、煤氣和天然氣。

2.3 非電阻式氣體傳感器

非電阻式氣體傳感器主要有二極管、FET、電容型幾種。二極管型氣體傳感器是利用一些氣體被金屬與半導(dǎo)體的界面吸收，對(duì)半導(dǎo)體的界面吸收，對(duì)半導(dǎo)體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)的影響，而使二極管整流特性發(fā)生性質(zhì)變化而制成的，如Pd/Ti、Pd/ZnO之類二極管可用于對(duì)H2的檢測。FET型氣體傳感器是將MOSFET或MISFET中金屬柵采用Pd等金屬膜，根據(jù)柵壓域值的變化來檢測未知?dú)怏w。初期的FET型傳感器以測H2為主，近年來已制成H2S、NH3、CO等FET型氣體傳感器。最近又發(fā)展了ZrO2、LaF固體電解質(zhì)膜、銻酸質(zhì)子導(dǎo)電體厚膜型的FET氣體傳感器。CaO-BaTiO3等復(fù)合氧化物隨CO2濃度變化其靜電容量有很大變化。該元件加熱到419℃時(shí)，課測定CO2濃度范圍（0.05%-2%）。其優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，很少受CO、CH4、H2等氣體干擾，不受濕度干擾，有良好前景。

3 接觸燃燒式氣體傳感器

一般講在空氣中達(dá)到一定濃度、觸及火種可引起燃燒的氣體稱為可燃性氣體，如甲烷、乙炔、甲醇、乙醇、乙醚、一氧化碳、氫氣等都是可燃性氣體。接觸燃燒式氣體傳感器是將金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對(duì)金屬線圈通以電流，使之保持在300-600℃的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂，調(diào)節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱進(jìn)一步使金屬絲升溫，造成元件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓與可燃燒氣體濃度成比例，檢測出這種電流或電壓就可測得可燃性氣體的濃度。

4 結(jié)束語

隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化，深入研究和掌握有機(jī)、無機(jī)，生物和這種材料的特性及相互作用，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。

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