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1、第9章 气敏湿敏传感器,9.1 气敏传感器9.2 湿敏传感器,气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用最多的气敏传感器。由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传感器的种类非常多。目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、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。,9.1 气敏传感器,9.1.1 气敏传感器的分类,9.1.2 接触燃烧式气体传感器检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升
2、高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,9.1.3 半导体式气敏传感器的工作原理,半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造
3、成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为：电阻式非电阻式,半导体式气敏传感器的分类,1 气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型半导体，如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。,N型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的
4、位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。,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。通常器件工作在
5、空气中，空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。,该类气敏元件通常工作在高温状态（200450），目的是为了加速上述的氧化还原反应。例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其在100300范围内电导率变化很大。显然，半导体电导率的增加是由于多数载流
6、子浓度增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图1（a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图1（b）所示。,图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。,图1 输出电压与温度关系,气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热，结构如图2所示，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。,图2 气敏元件结构,N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,2 主要类型,烧结型气敏器件 薄膜型气敏器件 厚膜型气敏器件,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（SnO
7、2、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。该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。,直热式气敏器件,直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板缺点：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,旁热式气敏器件,旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半
8、导体材料，就构成了器件克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高,旁热式SnO2气敏电阻的基本检测电路,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,厚膜型气敏器件,厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与315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基片上，在400800高温下烧结12小时制成优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产,电阻式气敏传感器的特点,优点：工艺简
9、单，价格便宜，使用方便；气体浓度发生变化时响应迅速；即使是在低浓度下，灵敏度也较高。缺点：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。,半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(103105)范围。测定固有电阻值时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。,（2）气敏元件的灵敏度是表征气敏元
10、件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种,（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：R2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出,Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值,SnO2的灵敏度特性,（4）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
11、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，通常用符号tr表示。,（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为,Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压,（5）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6
12、3时所需时间。,（6）初期稳定时间 一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。（2min),N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,图 家用煤气、液化石油气泄漏报警器电路,气敏传感器的应用,家用煤气、液化石油气泄漏报警器 上图所示为一种简单、廉价的家用煤气、液化石油气报警器电路。该电路能承受较高的交流电压,因此,可直接由220 V市电供电,且不需要再加复杂
13、的放大电路,就能驱动峰鸣器等来报警。由该电路的组成可见,峰鸣器与气敏传感器QM-N6的等效电阻构成了简单串联电路,当气敏传感器探测到泄漏气体（如煤气、液化石油气）时,随着气体浓度的增大,气敏传感器QM-N6的等效电阻降低，回路电流增大,超过危险的浓度时,蜂鸣器发声报警。,9.2 湿敏传感器,9.2.1 湿敏传感器的基本概念及分类9.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 9.2.3 湿敏传感器的应用,湿度的定义及其表示方法,所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。它通常有如下几种表示方法：绝对湿度（AH）absolute humidity 相对湿度（%RH）raletive humidity 露点,绝对湿
14、度（AH）,绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其数学表达式为 绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。,相对湿度（RH）,相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式为：相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。,露点（温度）,水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100RH。该温度，称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度
15、低于0时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。,湿敏传感器的定义,就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等,感湿特性,湿敏传感器的分类,湿敏传感器的分类,11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理,电阻式湿敏传感器 电容式湿敏传感器,电阻式湿敏传感器,电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为：电解质式 陶瓷式 高分子式,电解质式（氯
16、化锂）电阻湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。,湿敏电阻结构示意图,氯化锂湿度电阻特性曲线,氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达%缺点：耐热性差，
17、不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短,陶瓷式电阻湿敏传感器 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷,1.负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电如果该半导瓷是型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到
18、达其表面，其表面层的电阻下降若该半导瓷为型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降,几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性,2.正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还
19、不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。,Fe3O4半导瓷的正湿敏特性,几种 典型陶瓷湿敏传感器（自学）（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，,MgCr2O4-TiO2陶瓷,MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器感湿特性,（2）ZnO-Cr2
20、O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定,ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构,陶瓷式电阻湿敏传感器的特点,传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。,高分子式电阻湿敏传感器,利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的。当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间
21、凝聚化呈液态水状态。在低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高；当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子（H+）及水和氢离子（H3O+）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，传感器的电阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。高分子式电阻湿敏传感器测量湿度范围大，工作温度在050，响应时间短（30s），可作为湿度检测和控制用。,（2）电容式湿敏传感器,电容式湿敏传感器是有效利用湿敏元件电容量随湿度变化的特性来进行测量的，通过检测其电容量的变化值，从而间接获得被测湿度的大小。,电容式湿敏传感器结构图,电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好，因此在实际中得到了广泛的应用,电容式湿敏传感器感湿特性,
