半导体气体传感器
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通用说明书
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工作原理
MQ系列气体传感器的敏感材料是活性很高的
金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。金属氧化物
半导体在空气中被加热到一定温度时,氧原子被吸
附在带负电荷的半导体表面,半导体表面的电子会
被转移到吸附氧上,氧原子就变成了氧负离子,同
时在半导体表面形成一个正的空间电荷层,导致表
面势垒升高,从而阻碍电子流动(见图 1)。
在敏感材料内部,自由电子必须穿过金属氧化
物半导体微晶粒的结合部位(晶界)才能形成电流 。
由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子
的自由流动,传感器的电阻即缘于这种势垒。在工
作条件下当传感器遇到还原性气体时,氧负离子因
与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓
度降低,势垒随之降低(图2和图3)。导致传感器
的阻值减小。
在给定 的工作条 件下和适 当的气体 浓度范围
内,传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系
可近似由下面方程表示:
其中:Rs:传感器电阻
A:常数
[C]:气体浓度
α:Rs曲线的斜率
传感器特性
1 氧气分压的影响
图4所示为大气中氧分压(PO2)和MQ气体传感器在
清洁空气中阻值之间的典型关系。
2 气敏特性
根据前述方程,在某一气体浓度范围内(从几十ppm
至几千ppm),在工作条件下,传感器的电阻同气体
浓度呈对数线性关系。如图5所示。
传感器对多种还原气体具有敏感性,对指定气体的
相对灵敏度,取决于敏感材料的构成及其工作温
度。
图1-晶粒间势垒模型(洁净空气)
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实际上,每个传感器的电阻值和相对灵敏度都不完
全相同,图5中描述的敏感特性为传感器在不同气
体浓度下的阻值 (Rs)与待检测气体的一定浓度下
的阻值(R0)的比值与浓度的对数关系。
3 传感器响应特性
在工作条件下传感器先被放入还原性气体中,其电
阻急剧下降,待其稳定后,再将其置入洁净空气中 ,
传感器的电阻经过很短的时间即恢复到它的初始
值。这个过程中传感器典型的动作如图6所示。传
感器的响应速度和恢复速度与传感器型号、材料种
类及所测气体的种类相关。
4 初始动作
如图7所示,当传感器不通电存放后,再在空气中
通电,无论是否存在还原性气体,传感器通电后的
最初几秒钟,其阻值都会(Rs)急剧下降,然后逐
渐达到一个平稳的水平,即为传感器的初始动作。
初始动作时间的长短取决于传感器储存期间的气
氛条件、储存时间长短,并因传感器型号而异,也
与通电后传感器周围的氛围有关。通电后传感器的
初始动作会引起报警(参照4-6节),因此在设计 电
路时要予以充分考虑。
5 温、湿度影响
MQ传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的
化学吸附、反应与脱附。环境温度的变化会改变化
学反应速度,从而影响传感器的敏感特性。此外,
水蒸气会吸附在传感器表面,湿度将会引起Rs的降
低。如图 8所示。精确使用 MQ传感器时应考虑温、
湿度的影响。
6 长期稳定性
MQ系列传感器的长期稳定性典型数据如图 9所 示 。
通常情况下,MQ传感器表现出稳定的经时特性,适
用于免维护应用的场合。
7 加热器电压的影响
在设计传感器的加热器时,充分考虑了在给定的恒
定加热电压下,气体传感器表现出最佳的敏感特
性。灵敏度随加热电压的变化如图10所示。对于加
热电压对传感器性能的影响,使用时应充分考虑。
MQ气体传感器使用注意事项
1 必须避免的情况
1.1 暴露于有机硅蒸气中
如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气,传感器
的敏感材料会被包裹住,抑制传感器的敏感性,并
且不可恢复。传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发
胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存 在
的地方。
图4-氧气分压的典型影响
图5-典型的敏感特性
图6-典型的传感器响应恢复
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1.2 高腐蚀性的环境
传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体(如 H2S,
SOX,Cl2,HCl等)中,不仅会引起加热材料及传
感器引线的腐蚀或破坏,并会引起敏感材料性能发
生不可逆的改变。
1.3 碱、碱金属盐、卤素的污染
传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后,及暴
露在卤素如氟中也会引起性能劣变。
1.4 接触到水
溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。
1.5 结冰
水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而
丧失敏感特性。
1.6 施加电压过高
如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定
值,即使传感器没有受到物理损坏或破坏,也会造
成引线和/或加热器损坏,并引起传感器敏感特性
下降。
1.7 电压加错管脚(仅限于旁热式系列)
对6脚型的传感器,如果电压加在1、3或4、6管
脚会导致引线断线,加在2、4管脚上则取不到信号 。
2 尽可能避免的情况
2.1 凝结水
在室内使用条件下,轻微凝结水会对传感器性
能会产生轻微影响。但是,如果水凝结在敏感元件
表面并保持一段时间,传感器特性则会下降。
2.2 处于高浓度气体中
无论传感器是否通电,在高浓度气体中长期放
置,都会影响传感器特性。
2.3 长期贮存
传感器在不通电情况下长时间贮存,其电阻会产生
可逆性漂移,这种漂移与贮存环境有关。传感器应
贮存在有清洁空气不含硅胶的密封袋中。经长期不
通电贮存的传感器,在使用前需要长时间通电以使
其达到稳定。
2.4 长期暴露在极端环境中
无论传感器是否通电,长时间暴露在极端条件
下,如高湿、高温、或高污染等极端条件,传感器
性能将受到严重影响。
2.5 振动
频繁、过度振动会导致敏感元件引线产生共振
图7-典型的初始动作
图8-典型的温湿度影响
图9-典型的长期稳定性
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而断裂。在运输途中及组装线上使用气动改锥/超
声波焊接机会产生这种振动。
2.6 冲击
如果传感器受到强烈冲击会导致其引线断线。
2.7 使用
对传感器来说手工焊接是最理想的焊接方式。
使用波峰焊是应满足以下条件:
2.7.1 助焊剂:含氯最少的松香助焊剂
2.7.2 速度:1-2米/分钟
2.7.3 预热温度:100±20℃
2.7.4 焊接温度:250±10℃
2.7.5 1次通过波峰焊机
违反以上使用条件将使传感器特性下降。
电路设计
1 负载电阻(RL)
通过负载电阻可获得输出信号,并可调节传感
器两端的电压,负载电阻可充当传感器的保护器。
为每个传感器选择一个合适的负载电阻可补偿传
感器的离散性,并发挥传感器的最佳特性。 如图
11为传感器常见的敏感特性。
在同样的电路(如图 14)中,传感器配用不同
的负载电阻RL(4.7KΩ,2.0KΩ,1KΩ)时,气体
浓度与输出电压(VRL)的关系如图12所示。
图10-典型的加热电压影响
如图13给出了RS/RL和VRL/VC的关系。 RS/RL为
图11-敏感特性(Rs
1.0时,VRL/VC的斜率最大。在此条件下对报警浓
度可获得最佳信号分辨率。使用时应选择检测浓度
下的RS/RL值为1.0时的RL作负载。也可使用可变电
阻器(RL)以获得最佳结果。
2 信号处理
传统的 信号输出 处理方法 是使用比 较器(图
14)。 当 VRL超出设定值(Vref)时,比较器信号激
发外部装置,比如蜂鸣器或LED灯。使用微处理器
进行信号处理会更方便实用。它除了具有执行比较
器的功能外,还具有其它一些有用的功能,例如温
度补偿,自动校准等。
3 温度补偿电路
如图15所示为同一支传感器在几种不同环境条
件下,典型的灵敏度曲线。没有补偿电路时,在+20
℃/65%RH、1500ppm丙烷检测气体设定的报警点,
在环境温度发生变化时会在600ppm至3400ppm间变
化。
在给定的湿度条件下如:65%RH,使用热敏电阻
可在一定程度上补偿温度影响,从而改变图14中的
Vref。例如+40℃/65%RH 下,Vref可从2.5V变化
到3.1V,-10℃/65%RH 下 ,Vref可从2.5V变化到1.
图12-敏感特性(VRL
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9V。使用补偿电路的结果见图16及表1。
热敏电阻及附加电阻的选择方法如下:
3.1 确定应用的预期环境温湿度范围。考虑平均值
为 +20℃ /65% RH的通 常 条 件 以 及 -10℃ 和 +40℃
/40%—65%RH的极限条件。
3.2 获取在上述环境条件下的待测气体的敏感特
性曲线。
3.3 决定热敏电阻和附加电阻去拟合平均曲线。图
14中补偿路的推荐值如下:
注:使用这种方法不能实现湿度补偿。
4 MQ300系列加热器突入电流
传感器 的加热器 材料有它 自身的温 度影响。
MQ300系列传感器在不同环境温度下突入电流及加
热器稳态电流如图17所示。此图说明突入电流大约
比稳态电流高50%。因为加热器电阻在低温时电阻
值也低,这会导致在室温下电流比预期高。因此使
用该传感器的装置第一次通电时,通电的最初一段
时间会产生极高的电流。因此在电路设计时要同时
考虑突入电流时的保护。
5 传感器加热器断路检测回路
传感器加热器的断路可通过与其串联的电阻检
测出来。加在此串联电阻器上的电压可用于此目
的。
6 防止初始动作误报警
正如2-4部分所描述的那样,无论是否有被测气
体出现,通电后最初的几秒内Rs急剧下降,引起VRL
超过 Vref,然后依照周围气氛趋向稳定(初始动
作)。使用图 18所示的回路可以避免最初预热过程
传感器初始动作可能引起的误报警。此回路应与传
感器回路图14中的VRL连接。
7 蜂鸣器延迟回路
使用类似于图 18所示的延迟回路可以防止短暂
存在的气体(如烹调中产生的乙醇蒸气)干扰引发
的误报警。
检测器设计 (见图19示例流程图)
1 电路
图13-Rs/RL和VRL/Vc的关系
图14-常用的温度补偿电路
图15-无补偿电路的效果
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1.1 使用热敏电阻补偿温度影响时,热敏电阻将补
偿传感器周围发生的温度变化。传感器和热敏电阻
要处于不受电路产生热量影响的位置才可以获得
理想的补偿效果。
1.2 要确保传感器加热器的工作条件如电压,电
流,加热周期和检测时间符合规定。
1.3 流过传感器的电流较大, 在设计电路结构(如
线条宽度,跨距和布局)时要充分考虑这一因素。
1.4 负载电阻值应接近报警点时传感器的电阻值。
使用可调电阻时,应 考虑它的可调范围。
1.5 电路功能应包括引线或加热器断路或传感器
元件失效的故障/安全保护模式。
2 检测器外壳
2.1 外壳设计时传感器周围应有一个隔离空间。隔
离间通过对流促进传感器快速响应,并使检测器中
其它元件产生的热量对传感器的影响最小化。检测
器外壳应至少在两面设置数量和宽度足够的切口,
以保证气体在传感器周围顺畅流动。
2.2 外壳的设计时要最大限度地保证散热。
3 样机评审测验
开始批量生产前必须对样机进行评审。
检测器生产
1 生产设备
1.1 传感器和检测器的预热(预通电)设备 ,无
论施加的电压是否波动,要持续施加额定周期下的
额定电压。在预通电过程中,传感器/检测器要模拟
实际使用情况垂直固定。
1.2 气体测试箱 避免使用熟化后可能放出气体的
绝缘或密封材料,如硅树脂密封胶和溶剂型的粘合
剂。气体测试箱的温、湿度应是可调的。要确保测
试箱的容积使每个传感器拥有 1升或更多的空间。
检测器探测到的应是静止的混合气,避免气体直接
流向传感器,引起传感器错误地高灵敏。在调试过
程中检测器要象实际使用时那样保持垂直固定。
1.3 工厂环境 环境应保持清洁并不得含有有机蒸
气,如酒精、丙酮、可燃性气体等。特别要注意保
持传感器/检测器预通电设备周围的环境中没有对
其产生影响的气体,如含硅蒸气。在使用三氯乙烯 ,
氟里昂或地板密封剂等挥发性清洗剂时,所有的产
品要从该区域移走并妥善安置,直到该区域彻底通
风后才可以返回。
2 制造工艺 (制造工艺流程图示例如图-20)
2.1 传感器的贮存和处置
传感器要在通常密封袋中贮存。
2.2 传感器预通电
图16-补偿电路的效果
图17-环境温度对MQ300加热电流的影响
图18-防止初始动作引发报警电路
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传感器预热(预通电)的时间最短为2天,但强
烈建议通电7天或更长时间以获得最佳效果。通电
时要遵循标准电路条件并保持清洁的气氛条件。
2.3 传感器装配到PCB上之前,助焊剂必须充分烘
干。
2.4 传感器装配时强烈建议手工焊接。推荐使用无
铅焊锡、不含氯的树脂助焊剂。
2.5 PCB预通电的时间最短为2小时,但强烈推荐通
电1天或更长时间以获得最佳效果。通电时要遵循
标准电路条件并保持清洁的气氛条件。
2.6 调试(参考图14电路)
确保使用适当的检测气体浓度来调试所有的产
品。保持调试箱内气氛的温湿度条件稳定。必须清
除调试箱中任何痕量的烟,粘接剂,杂质气体,溶
剂。
例1)使用可变负载电阻器调试检测器时,先将检
测器放入气体测试箱。测试箱内配制报警浓度的被
测气体。调整使检测气体中的VRL至与Vref相当。
例2)使用虚设负载电阻器(RL*)调试检测器时,
先将检测器放入气体测试箱。测试箱内配制报警浓
度的气体。测量RL*两端的电压以获得报警浓度时
的Rs。用相当于上述测量出的Rs阻值的RL来替换检
测器中的RL*。
注意:确认报警浓度的气体与周围环境的温湿
度水平相一致。否则,调试结果会与正常使用时大
不相同。要在用户规定的测试条件和检测器的预定
使用条件下进行调试。
2.7 最终装配时要避免使用气动工具可能引起的
任何冲击或振动。
2.8 成品预通电的时间最短为2小时,但强烈推荐
通电1天或更长时间以获得最佳效果。确认通电时
遵循标准电路条件并保持清洁的气氛条件。
2.9 气体测试
用检测气体测试所有的最终成品。保持测试箱气氛
条件稳定,使用用户规定的测试条件和检测器预期
使用条件进行测试。必须清除测试箱中任何痕量的
烟、粘接剂、杂质气体、溶剂。
2.10 气体测试不合格品的重新调试。如果 电路功
能检测没有问题,可以重新进行浓度调试。预通电
时间应两倍于检测器测试后的未通电放置时间,确
保检测器充分稳定。重新设定不能超过 4次。
2.11 最终成品的贮存。 检测器应保管在空气清洁
的环境中。避免在不洁及有污染的环境中保存。前
述部分所列出的注意事项同样适用。
质量控制
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1 对每个生产批次进行抽样以确认报警浓度准确。
检查这些样品是否符合运输要求,并且保持这些测
试记录。
2 周期性地对最终成品进行一定数量的抽样以确
认极限条件下的报警浓度(如-10℃或+40℃/85%
RH),并且保持这些测试记录。
3 周期性地对成品进行一定数量的抽样以确认长
期稳定性。并且保持这些测试记录。
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