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气体检测仪的原理是怎么样的?

精讯畅通    2022-09-20

气体检测仪是一种利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术而研发的气体传感器。仪器采用隔膜式设计,使用应变片,应变片粘接或扩散到其中,在压力引起的应变下,电阻值会发生变化。

气体检测仪

 

在电容技术中,压力隔膜是电容器的单板,在压力引起的位移下改变其值。压电效应是气体检测仪的主要工作原理,气体检测仪不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压阻效应

当力作用于硅晶体时,晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化,扰动了载流子纵向和横向的平均量,从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异,因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。

硅的压阻效应不同于金属应变计,前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化,后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化(应变),而且前者的灵敏度比后者大50~100倍。

压阻式气体检测仪结构

压阻式气体检测仪采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内,引出电极引线。

压阻式气体检测仪又称为固态气体检测仪,它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力,而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔,另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形,直径与厚度比约为20~60。

在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥,其中两条位于压应力区,另两条处于拉应力区,相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条,两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

气体检测仪中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的居里点)。

气体检测仪主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

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