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1、第十章 气湿敏传感器,第一节 气敏传感器,第二节 湿敏传感器,第一节 气敏传感器,接触燃烧式气敏元件金属氧化物半导体气敏元件氧化锆气敏元件,工作原理、主要类型及应用,一、接触燃烧式气体传感器1、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
2、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。,接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元
3、件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,因为RF很小，且RF1R1=RF2R2,这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示,如果令,则有,检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；H可燃性气体接触燃烧的发热量；C检测元件的热容量；Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。,
4、，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则,A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,输出电压/mV,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度(XLEL),E=kmb,即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得,2、接触燃烧式气敏元件的结构 用
5、高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层
6、而已。,触媒,Al2O3载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a)元件的内部示意图,二、半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。1、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。由于经济地理环境的差
7、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
8、，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,（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
9、度为规定值中工作时，负载电阻的电压,（5）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。一般在(0.52.0)W范围。,（6）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。,（7）初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表
10、面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。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。,2、烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径m)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不
11、同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件),由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。,（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一般为3040,三、氧化锆氧气传感器 固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。一般认为，固体物质(金属或半导体)中，作为载流子传导电流的是正、负离子。可是，在固体电解质中，作为载流
12、子传导电流的，却主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。,在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15mol左右时,离子电导出现极大值。但是，
13、由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的ZrO2Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。,ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系,1 添加8%molYb2O3；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2；4 添加10%molY2O3；5 添加13%molCaO6 添加15%molY2O3；7 添加10%molCeO,四、气体传感器应用,实用酒精测试仪,当气体传感器探测不到酒精时，
14、加在A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。A为显示推动器，它共有10个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数，酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平。下面5个发光二极管为绿色，代表安全水平，酒精含量不超过0.05%。,精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。湿度传感器依据使用材料分类：,电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿
15、度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,第二节 湿敏传感器,一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。1、质量百
16、分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为,vV100,这两种方法统称为水蒸气百分含量法。,mM100,在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为,2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为,m待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。,如果把待测空气看作是由水蒸气
17、和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：,P：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；T：空气的绝对温度。,3、露（霜）点 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
18、空气中的湿度。,三、电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。,电解质氯化锂湿度传感器最为典型,把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器,四、陶瓷湿度传感器 利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150以下，而高温湿度传感器的工作温度可达80
19、0，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。,典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。,1、结构该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管,容易吸附水
20、分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。,陶瓷湿敏元件结构图,2、主要特性与性能（1）电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100RH时，阻值从107下降到104，即变化了三个数量级。,五、高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器
21、；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。（一）电容式湿度传感器 1、结构,高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。,2、感湿机理与性能 电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加所以根据电容量的变化可测得相对湿度。,（1）电容湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系。当测试频率为l.5MHz左右时,其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率,如1kHz、10kHz，尽管传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转换电路,使电容湿度特性趋于理想直线。,1、便携式湿度计的实际电路,六、湿敏传感器应用,2、直读式湿度计 下图是直读式湿度计电路，其中RH为氯化锂湿度传感器。由V1、V2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为2501000 Hz。电桥输出经变压器T2,C3耦合到V3，经V3放大后的信号，由VD1VD4桥式整流后，输入给微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。,直读式湿度计电路图,
