热线元件的制作
时间:2008-06-05 09:57:13 来源:自写 发布者：zkw46
热 线 型 气 敏 元 件
一、结构
采用稳定的铂丝（PT）绕制完全相同的铂线圈，在一个线圈上浸积或涂复对检测气体敏感的半导体材料，另一 线
圈涂复基本材料相同，对检测气体不敏感但可对温度或某一干扰气体具有一定敏感的材料。经烘干烧结分别制成检测元件RD和RC。铂丝作成的线圈是元件的骨架，也是元件的加热器，以满足元件的正常工作的要求。由于元件的工作原理希望线圈的阻值尽量的大一点。一方面使元件工作电流小一点，另一方面使元件在工作中输出的信号大一些，灵敏度高一点．冷态电阻Ｒ０＝１０欧姆左右，热态电阻ＲＨ＝２０左右。因此ＰＴ丝的线径就必须很小，一般在０.０２以下。但不能太细，太细了机械强度太差，同时给制作带来很大的困难。
制作好的元件RD、RC与固定电阻R1和R2组成一个电桥。通过调整使电桥平衡，输出
电压V0=0。当元件接触到可燃性气体时，检测RD的阻值下降，补赏元件RC对可燃性气体不
敏感，其阻值基本不发生变化。这时电桥的平衡打破，输出电压U0上升。输出电压V0的变化
与气体的浓度成正比，通过对输出电压V0的处理即能检测到气体的浓度变化。RC是起温度补
赏作用的。当环境温度发生变化时，RD也会发生变化，零点也会变化，为了元件在工作过程
中稳定减少零飘而用RC进行补赏。RC与RD的基体材料基本一样，其温度特性也基本一样，
受温度变化的影响也基本一样，在电桥中能起到补赏的作用。如果RC是对某些干扰气体敏感，
这时RC的补赏作用就能降低干扰气体的影响，提高元件的选择性。 图1、检测原理
二、检测原理
由图1可知，热线型气敏元件是通过检测由 RD与RC组成的电桥的输出电压来检测气体的
浓度。输出电压的变化是由于检测元件RD的变化引起。检测元件RD实际上是由热丝RH和涂复
在热丝上的气敏材料的RS组成。我们把他简单的看成是热丝RH与气敏材料的RS并联组成，其
等效电路如图2所示： RD=RS*RH/RS+RH...........................（1）
当元件接触检测气体时，其中RS的表面吸附的氧离子与检测气体发生氧化还原反应，得到
电子电导增加，RS下降。RS下降使RD也随之下降，检测的电桥失去平衡，输出一个差分电压 图2、检测元件的等效电路
VOUT。他与热效应的接触燃烧式的催化元件的机理完全不一样。其检测的机理还是半导体气敏
元件的机理，只是由于结构的不同，检测的方法不同而已。其中的热丝RH一是起元件的骨架的作用、二是起加热的作用、三是组成检测元件主体电阻RH。热丝是由铂丝绕制的，其性能稳定，但温度系数大，电阻率小，因此RH远小于RS。RH的大小直接关系到检测元件的总电阻RD的大小。在清洁空气中可以说RD的大小就等于RH。RH的值越大，RD的值就越大，其输出变化的值就越大，灵敏度就高。但是RH越大，其工作的电压也要相应的提高。否则元件的电流将下降，使元件的功率减少，温度降低。因此在设计时要根据元件的工作电压VC和元件的工作温度要求来考虑。不管采用什么样的元件结构，半导体元件的工作温度都是一样的。根据经验采用热丝供热的微球型气敏元件，其功率应在120MW左右。如果球体大应该适当的提高功率，球体小可以适当的减少一点功率。半导体的气敏元件的工作温度应保证在300度左右。检测甲烷的元件应在400度以上较好。
由于热线型元件的原理是涂复在热丝上的气敏体的吸附氧化还原反映引起RS的下降，导致与热丝并联后的总电阻RD的下降，使电桥VA的电压上升，输出一个电压差值VOUT。为了保证元件工作稳定可靠，希望RH在工作条件下稳定。要RH稳定就必须元件在工作时不能有温度的变化。引起元件温度变化的原因除了工作电压VC变化外，就是元件在接触检测气体发生的氧化还原反应了。因此希望元件表面不要发生燃烧，否则元件的温度将会较大的变化引起RH发生变化。RH的上升会使元件的输出信号减少。当元件表面燃烧激烈，温升厉害，热线型元件的工作原理将转化为接触燃烧式的原理。输出的信号与热线原理的信号正好是一个相反的值。元件的灵敏度先是降低，然后逐渐下降直至信号相反。
三、输出电压VOUT与RS的关系（RS表面无燃烧现象）
为了计算方便，我们设元件表面无燃烧现象的理想状态。按检测元件RD的等效电路画出如图3的电路图。
设：VC=3V RH=RC=20欧姆 则：RD=RH*RS/RH+RS （1）
I=VC/RD+RC I=VA/RC VC/RD+RC=VA/RC （2）将1式代入2式
得：VC/（RH*RS/RH+RS）+RC=VA/RC 将VC、RH=RC=20代入得
RS=60-20VA/2VA-3 气敏体的电阻 ....... （3）
PRC=VA*I 补赏元件的功耗 ....... （4）
PRD=（VC-VA）*I=（3-VA）*VA/20 检测元件的功耗 ....... （5）
I=VA/RC 流过元件的电流 ....... （6）
分别设输出电压VOUT=0 、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100.....
则：VA=1.5、1.51、1.52、1.53、1.54、1.55、1.56、1.57、1.58、1.59、1.60分别
代入上式可求得：元件气敏体的电阻RS、检测元件电阻RD、流过元件的电流 I、检测
元件的功耗PRD、补赏元件的功耗PRC。根据计算列表如下： 图3、热线元件检测等效电路图
表一、 不 同 的 输 出 电 压 对 应 的 各 参 数 值
|
参 数 |
参 数 值 （Vc=3v Rh=Rc=20 欧姆） |
||||||||||||
|
输出电压Vout(mv) |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
|
气敏体Rs(欧姆) |
|
1490 |
740 |
490 |
365 |
290 |
240 |
204 |
178 |
157 |
140 |
126 |
115 |
|
检测元件电阻Rd(欧姆) |
20 |
19. 735 |
19. 474 |
19. 216 |
18. 961 |
18. 710 |
18. 462 |
18. 214 |
17. 980 |
17. 740 |
17.5 |
17. 26 |
17. 031 |
|
电流I(Ma) |
75 |
75.5 |
76 |
76.5 |
77 |
77.5 |
78 |
78.5 |
79 |
79.5 |
80 |
80.5 |
81 |
|
A点的电压Va(v) |
1.5 |
1.51 |
1.52 |
1.53 |
1.54 |
1.55 |
1.56 |
1.57 |
1.58 |
1.59 |
1.60 |
1.61 |
1.62 |
|
检测元件电压VRd(v) |
1.5 |
1.49 |
1.48 |
1.47 |
1.46 |
1.45 |
1.44 |
1.43 |
1.42 |
1.41 |
1.40 |
1.39 |
1.38 |
|
检测功 率PRd (mw) |
112.5 |
112. 495 |
112. 48 |
112. 455 |
112. 42 |
112. 373 |
112. 32 |
112. 255 |
112. 16 |
112. 095 |
112.0 |
111. 895 |
111. 78 |
|
补赏功率PRd(mv) |
112.5 |
114. 0 |
115. 5 |
117. 05 |
118. 58 |
120. 13 |
121. 68 |
123. 25 |
124. 82 |
126. 41 |
128.0 |
129. 61 |
131. 22 |
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说明：
1、以上的数据是根据热线元件的理想工作状态的情况计算出来的，热线型元件的敏感体遵循半导体气敏元件的机理,表面无燃烧现象.虽然他与实际的情况有一定的出入。但也能说明元件的一般工作的状况。根据以上的数据对产品的设计有一定的帮助；
2、要元件输出电压大，灵敏度高，一要气敏体的变化要大，二要加热丝的电阻大；
3、气敏体和补赏元件的载体的电阻足够大就对热丝的电阻影响小。按理是越大越好，但气敏体电阻太大，起灵敏度就要求很高。在设计时可以根据气敏体的灵敏度，参照上表制作合适的气敏体。例如：输出在50mv时，气敏体的电阻在２９０欧姆，如果气敏体的灵敏度是５倍以上，那么气敏体在清洁空气中的电阻就可以做到２９０*５＝１４５０欧姆以上。如果气敏体的电阻大于１４５０欧姆太多，而灵敏度还是５倍，其输出的电压可能就达不到５０mv。当元件的输出电压是１００mv，这时气敏体的电阻应该是在１４０欧姆左右，灵敏度就要１４５０/１４０＝１０.４倍左右才能输出１００mv。根据计算的情况热线型气敏元件的气敏体的电阻应该在２０００欧姆左右，在５０mv输出的灵敏度最好大于５倍；
４、从元件的功耗来看，ＲＨ＝ＲＣ＝２０欧姆（热态），元件的功耗在１１２.５mw，如果元件的体积制作的较大，其功耗略显不足，对某些气体的灵敏度可能会低一点。因此在设计时要注意元件的功率与元件的体积要匹配。由于受到热丝的限制，热丝的阻值越大，其元件的个体就相应的就大。热丝为２０欧姆的元件的体积不可能做的很小。单纯的增大热丝的阻值也不能提高很多的灵敏度。在增大热丝组织的同时也要考虑元件的功耗是否能满足元件最佳的工作温度的要求。元件的体积大也有好处，能抗气流的影响；
５、提高元件的灵敏度除了加大热丝的阻值外还要提高元件的气敏体的灵敏度。提高气敏体的灵敏度就是要提高材料的活性，高活性的气敏料元件的工作温度低。为了保证元件的稳定性元件在接触检测气体是不能发生燃烧反应引起温度的变化。就是在检测高浓度时也不能发生燃烧现象，否则元件的热线效应就失去了意义。
６、Vc的高低是根据元件的设计要求来决定的。如热丝电阻的大小、气敏材料的工作温度、元件的功率要求等等。Vc的大小关系到元件的灵敏度和稳定性。 当Vc降低时元件的功率降低，灵敏度也降低，相应也可能降低。通常可以根据Vc的大小来设计元件的各种参数，一满足元件的工作要求；
７、从检测元件和补赏元件的功率分配来看：在整个检测过程中随着检测的浓度变化，输出电压也相应的变化，检测元件和补赏元件的功耗也在变化。但是检测元件的功耗变化不大，从输出电压０－１００mv的变化，检测元件的功耗仅下降了０.５mv由此引起的温度变化不大．然而补赏元件的功耗变化相对来说就大多了，就有１５.５mv的变化．但总的来说变化不是很大．输出电压０－１００mv的变化范围元件的性能相对是稳定的，线性度也比较好．在１００mv以上元件的功耗变化就比较大，线性度也会变差，建议元件的灵敏度设计在０－１００mv就可以了．以 元件稳定，线性好为主要追求目的．
8、检测元件和补赏元件的热丝的电阻最好是一样大，这样元件的稳定性较好。零点的变化较小。当检测元件与补赏元件的热丝偏差较大其输出零点要经过电桥的调整来实现。而且对稳定性也有影响。如果检测元件的热丝大于补赏元件的热丝电阻在检测元件上的压降就大，温度就高。在接触检测气体时可能灵敏度会高一点，估计影响不会很大。相反补赏元件的热丝的电阻大，这样在补赏元件上的压降就大，接触检测气体后会更大，这样补赏元件的温度就比检测元件的温度高得多，反过来影响检测元件，使元件的零点发生变化，也会使输出的信号出现变化，线性变差。因此热丝的电阻最好基本一样。
四 结论
热线型气敏元件是利用元件在接触检测气体时，气敏体的阻值下降引起检测元件的总电阻下降，使检测的电桥的输出电压变化来实现气体的检测．气敏体的变化还是遵循半导体气敏的机理，但由于热丝在检测桥路中使输出的差分信号具有一定线性而得到一个线性较好的信号．检测过程没有热效应，并且还要避免在检测元件的表面上发生燃烧现象．
设计制作热线型元件应根据使用的工作电压和元件使用的材料以及元件的工作温度进行综合的考虑．其中热丝的阻值、气敏材料的灵敏度和阻值的大小对元件的灵敏度、稳定性及线性有很大的关系：
１、热丝的阻值应足够大，且在工作时应稳定，并具有一定强度,热态在２０欧姆以上。可以考虑高电阻率的合金丝,如金-钯-钼、金-钯-铂（即APP线）；
２、气敏体的电阻应大于２０００欧姆以上，灵敏度应大于５倍以上；
３、元件的灵敏度设计在５０－１００mv左右，最大不要超过１５０mv；
４、功率应在１２０mw左右，视元件的个体大小可以适当的增减，但一定要保证元件的工作温度在３５０度左右。
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