传感器系列之4.10 酒精传感器

4.10 酒精传感器检测实验

一、实验目的

1. 掌握LPC2378芯片的编程方法
2. 掌握酒精传感器的工作原理
3. 了解酒精电阻的用途

二、实验材料

1. 具有USB 串口通讯的PC 机1 台
2. ADS1.2 集成开发软件1 套
3. J-Link-ARM 仿真器及软件1 套
4. NXP LPC2378 实验节点板1 个
5. LCD 显示实验板1 个
6. 酒精传感器模块1个

三、实验原理

　　酒精传感器实验环境由PC机（安装有Windows XP操作系统、ADS1.2集成开发环境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378实验节点板、酒精传感器、实验模块和LCD显示实验模块组成，如图4.10.1所示。

1.气敏传感器简介

　　气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。

2.气敏传感器的应用

　　主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制, 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。

3.气敏传感器的分类

　　它主要包括：半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、电化学气敏传感器、用的最多的是半导体气敏传感器。
表4.10.1 气敏传感器分类

3.1.1简介
利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的电导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度。

1. 材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体；
2. 其中P型：如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。
3. N型：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。
4. 合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。

按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型.

表面控制型:

半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；

体控制型：

半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。 按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型。

电阻型半导体气敏元件：

是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件：是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阀值电压变化来检测被测气体的。表4.10.2为半导体气敏元件的分类。

表4.10.2-半导体气敏元件的分类。

3.1.2电阻型半导体气敏材料的导电机理
　　是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。半导体气敏材料吸附气体的能力很强。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。
　　
　　当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 它们被称为还原型气体或电子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体；多数属于可燃性气体。
　　
　　功函数 (work function) ：是指要使一粒电子立即从固体表面中逸出，所必须提供的最小能量（通常以电子伏特为单位）。这里“立即”一词表示最终电子位置从原子尺度上远离表面但从微观尺度上依然靠近固体。功函数是金属的重要属性。功函数的大小通常大概是金属自由原子电离能的二分之一。当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。 金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应。 图7-20表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
　

　
图4.10.2气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况

3.1.3半导体气敏传感器类型及结构

1. 烧结型气敏器件
2. 薄膜型气敏器件
3. 厚膜型气敏器件

3.1.4烧结型气敏器件

　　烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。

图4.10.3 烧结型气敏电阻
　　
　　这种半导体陶瓷， 简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。气敏元件工作时必须加热，其目的是：

1. 加速被测气体的吸附、脱出过程；
2. 烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；
3. 控制不同的加热温度能对不同的被测气体有选择作用；
4. 加热温度与元件输出的灵敏度有关。
5. 一般加热温度为200~400 ℃

　　该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。 直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。国产QN型和日本费加罗TGS＃109型气敏传感器均属此类结构。优点：制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用。缺点：热容量小，易受环境气流的影响，测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数，加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容易造成器件接触不良
　　

　
图4.10.4直热式气敏器件结构和符号
　　
　 图4.10.5旁热式气敏器件结构和符号
3.1.5薄膜型气敏器件
　　制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。

图4.10.6薄膜型气敏器件结构
3.1.6厚膜型气敏器件
　　厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝绝缘基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成。优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产，这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃左右。

图4.10.7厚膜型气敏器件结构

3.1.7气敏传感器的主要参数及特性
3.1.7.1电阻R0和Rs
固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下（或洁净条件下）的阻值，又称正常电阻。工作电阻Rs代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。

3.1.7.2灵敏度K
气敏元件的灵敏度通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度K。

3.1.7.3气敏元件的响应时间
表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间

3.1.7.4气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。

3.1.7.5加热电阻RH 和加热功率PH
为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用RH表示。气敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用PH表示。

3.1.7.6洁净空气电压U0

3.1.7.7标定气体中电

　　SnO2气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体，例如，QM-N5气敏元件用0.1%丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813气敏元件用0.1%甲烷（空气稀释）为标定气体等等。在标定气体中，气敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用 表示。

3.1.7.8电压比Ku
　　电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物理意义可按下式表示。

式中，Uc1和UC2——气敏元件在接触浓度为c1和c2的标定气体时负载电阻上电压的稳定值。

3.1.7.9回路电压Uc
　　
　　测试SnO2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用Uc表示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。对旁热式SnO2气敏元件，一般取Uc=10V。

3.2. 非电阻型半导体气敏传感器
非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。

3.2.1MOS二极管气敏传感器

　　在P型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生成一层厚度为50～100nm左右的SiO2层，然后再在其上蒸发一层钯金属薄膜作为栅电极。由于SiO2层电容Cαx是固定不变的，Si—SiO2界面电容Cx是外加电压的函数，所以总电容C是栅极偏压U的函数，其函数关系称为MOS管的电容—电压特性（即C—U特性）。

图4.10.8MOS二极管器皿器件结构和等效电路

　　当传感器工作时，由于钯在吸附H2后，会使钯的功函数降低，从而引起MOS管的C—U特性向负偏压方向平移，如图7.27所示，由此可测定H2浓度。
　　
3.2.2Pd—MOSFET气敏传感器

　　Pd—MOSFET气敏传感器是利用MOS场效应晶体管（MOSFET）的阀值电压随被测气体变化而变化的原理制成的气敏器件。 Pd—MOSFET与普通MOSFET的主要区别是采用钯（Pd）薄膜取代铝（Al）膜作为栅极，并将沟道的宽长比（W/L）增大到50～100，所以又称为钯栅场效应晶体管，其结构如图所示。

图4.10.10 2Pd—MOSFET气敏结构示意图（左为主视图，右为俯视图）

3.2.3MOS场效应晶体管气敏器件

　　钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构， 参见图11-6。由于Pd对H2很强的吸附性，当H2吸附在Pd栅极上时，会引起Pd的功函数降低。由MOSFET工作原理可知，当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压UGS，且UGS>UT(阈值电压)时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。 这个N型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N型沟道。此时，MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)漏(D)极之间加电压UDS，则源极和漏极之间有电流(IDS)流通。ISD随UDS和UGS的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的伏-安特性。 当UGS

4.酒精传感器

　　
　　喝酒后，呼出的气体会有酒味，表情行为会有反常。远古时代人们利用鼻子作为传感器，进行简单的呼出气体酒精测量。19世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析。1927年，有科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析。用 足球胆收集呼出气体后，通过硫酸和重铬酸钾的混合溶液，溶液的颜色会发生蓝一绿一黄的变化，同已知酒精浓度的标准试剂色管比较，就得到相应的BAC。现在，肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步，有先进微处理器的酒精测试仪已被商品化。越来越多的国家开始禁止酒后驾车。精确的呼出气体酒精测试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点，例如，进行无毒的采样，能进行现场处理，这样为交警节省了时间，使交通控制更高效，能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血样。

　　由于最早使用BAC极限值来分辨酒后驾车 ，当呼出气体酒精浓度测量用于交通执法时，情况就变得错综复杂，要把所测量的呼出气体酒精浓度换算成血液酒精浓度 。一般认为，2100：1呼出气体中所含的酒精和11血液中所含的酒精量相等 。对于把结果转化成BAC的呼出气体酒精测量仪，呼气／血液酒精转换系数是决定测试精度的重要因素。在美国、加拿大、澳大利亚，定量分析呼出气体酒精测试仪已用了十多年，转化系数为2100：1。在美国许多州，0.10~2101BAC为饮酒驾驶处罚极限，2100：1的BAC/BAC的转化系数直接体现在立法条例中，如果不这样 ，立法确定大于等于0.47m~1为犯罪极限，还得强调 2100：1的转化系数。假设有这种可能，BAC是合法的，而BAC不合法 ，反之亦然。立法中存在的这种进退两难的问题，至今没有很好地解决 。BAC和BAC内在转化如下所述：

4.1 酒精传感器的工作原理
　　
　　气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。半导体气敏传感器对于低浓度气体具有很高的灵敏度，具有嗅觉功能，能自动检测浓度。一旦浓度超限，气敏传感器即可自动报警。
　　
　　半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。

4.2 酒精传感器的应用：
　　它的应用主要有：

1. 一氧化碳气体的检测
2. 瓦斯气体的检测
3. 煤气的检测
4. 氟利昂（R11、R12）的检测
5. 呼气中乙醇的检测
6. 人体口腔口臭的检测

5.MQ3

　　MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为：

1. 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性
2. 快速的响应恢复特性
3. 长期的寿命和可靠的稳定性
4. 简单的驱动回路
   　　MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图4.10.12所示，其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。
   
   
   图4.10.12 MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线
   　　传感器输出电压与酒精浓度关系：
   通过测量MQ-3输出信号同酒精浓度为近似的线性关系，如图4.10.13所示。
   
   图4.10.13酒精浓度同输出电压的近似关系
   　　气敏传感器的外观和相应的结构形式如图4.10.14所示，它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
   
   　　图4.10.14 MQ-3传感器的外观和相应的结构形式
   　　图4.10.14中①、②、③分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2个极，图③中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。
   　　加热电压，取交直流5V均可。当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，分析得知Vout的值将逐渐加大，当超过我们设定的阈值时，可产生相应的操作。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。
   
   图4.10.15 气敏电阻工作电流

四、实验内容

1.实验器材连线

　　本实验所使用的酒精传感器实物图如图4.10.16所示

图4.10.16 实验模块实物图
　　将酒精传感模块安装到开发板上，然后用JLINK仿真器的一端用USB接口与电脑相连，一端的20Pin的JTAG引脚与NXP LPC2378节点板的J2相连，并给NXP LPC2378节点板上电，如图4.10.17所示。

图4.10.17实验电路连接图

2.酒精浓度测量

3.酒品生产监控