第9章 化學物質傳感器課件

1、學習目的 掌握氣敏傳感器、濕度傳感器的工作原理。掌握氣敏傳感器、濕度傳感器的工作原理。 掌握電阻型氣敏傳感器、非電阻型氣敏傳感掌握電阻型氣敏傳感器、非電阻型氣敏傳感 器的工作原理。器的工作原理。 熟悉氣敏傳感器的應用。熟悉氣敏傳感器的應用。 掌握電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器掌握電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器 的工作原理。的工作原理。 熟悉濕度傳感器的應用。熟悉濕度傳感器的應用。 9.1 9.1 氣敏傳感器氣敏傳感器 9.2 9.2 濕度傳感器濕度傳感器 本章小結本章小結 復習思考題復習思考題主要內容返回主目錄 人類的日常生活和生產活動與周圍環(huán)境空氣緊密相關。空人類的日常生活和生產活動

2、與周圍環(huán)境空氣緊密相關?？諝獾淖兓瘜θ祟愑袠O大的影響。例如，空氣中氣的變化對人類有極大的影響。例如，空氣中缺氧缺氧或存在或存在有毒有毒氣體氣體會使人感到會使人感到窒息甚至昏迷致死窒息甚至昏迷致死?？扇夹詺怏w的?？扇夹詺怏w的泄漏會引起泄漏會引起爆炸和火災爆炸和火災，使人們的生命和財產遭受巨大的損失。因而我們，使人們的生命和財產遭受巨大的損失。因而我們需要使用大量的氣敏傳感器來檢測氣體的成分。需要使用大量的氣敏傳感器來檢測氣體的成分。 氣敏傳感器氣敏傳感器就是就是能感知環(huán)境中某種能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度氣體及其濃度的一種器的一種器件件。 它將氣體它將氣體種類種類及其與及其與濃度濃度有關的信息有

3、關的信息轉換成電信號轉換成電信號，根據(jù)，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。9.1 9.1 氣敏傳感器氣敏傳感器燃氣報警器煙霧報警器酒精傳感器 氣敏傳感器的種類很多，分類標準不一，根據(jù)傳感器的氣敏傳感器的種類很多，分類標準不一，根據(jù)傳感器的氣敏氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機理和效應不同材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機理和

4、效應不同主要分為：主要分為：9.1.1 氣敏傳感器的分類半導體式半導體式固體電解質式固體電解質式電化學式電化學式接觸燃燒式接觸燃燒式其他類型其他類型光學式氣敏傳感器光學式氣敏傳感器石英振子式氣敏傳感器石英振子式氣敏傳感器表面聲波氣敏傳感器表面聲波氣敏傳感器電阻型電阻型非電阻型非電阻型 固體電解質固體電解質氣敏傳感器是利用被測氣體在敏感氣敏傳感器是利用被測氣體在敏感電極上發(fā)生電極上發(fā)生化學反應化學反應，所生成的，所生成的離子離子通過通過固體電解固體電解質質傳遞到電極，使電極間產生的傳遞到電極，使電極間產生的電位隨氣體分壓電位隨氣體分壓而而變化的原理來對氣體進行檢測。變化的原理來對氣體進行檢測。

5、電化學式電化學式氣敏傳感器是利用氣敏傳感器是利用電極和電解質電極和電解質組成的組成的電池電池中，氣體與電極進行中，氣體與電極進行氧化還原反應氧化還原反應，從而使兩極間輸出，從而使兩極間輸出的的電流或電壓電流或電壓隨隨氣體濃度氣體濃度而變化的原理制作的。而變化的原理制作的。半導體半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應用極其廣穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其泛；下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件。氣敏元件。電阻型半導體電阻型半導體氣敏傳感器是目前廣泛應用的氣敏傳感氣敏傳感器是目前廣泛應用的氣敏

6、傳感器之一。器之一。9.1.2 電阻型半導體氣敏傳感器電阻型半導體電阻型半導體氣敏傳感器是利用氣體在氣敏傳感器是利用氣體在金屬氧化物半導體表面金屬氧化物半導體表面的的氧化和還原反應氧化和還原反應，導致，導致敏感元件阻值變化敏感元件阻值變化的原理來制作的。的原理來制作的。 如氧氣等如氧氣等氧化型氣體氧化型氣體 電子接收性氣體電子接收性氣體（具有負離子吸附傾向的氣體）（具有負離子吸附傾向的氣體）吸附到吸附到N N型半導體上，型半導體上， 半導體的載流子減少，半導體的載流子減少， 電阻率上升；電阻率上升；吸附到吸附到P P型半導體上，型半導體上， 半導體的載流子增多，半導體的載流子增多， 電阻率下降

7、；電阻率下降；圖圖9-1 N9-1 N型半導體與氣體型半導體與氣體接觸時的氧化還原反應接觸時的氧化還原反應 如氫、碳氧化合物、醇等如氫、碳氧化合物、醇等還原型氣體還原型氣體電子供給電子供給性氣體（具有正離子吸附傾向的氣體）性氣體（具有正離子吸附傾向的氣體）吸附到吸附到N N型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；下降；吸附到吸附到P P型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升。上升。圖圖9-1 N9-1 N型半導體與氣體接觸時型半導體與氣體接觸時的氧化還原反應的氧化還原反應 氣敏電阻的材料是氣敏電阻的材料是金屬氧

8、化物金屬氧化物，合成時加敏感材料和，合成時加敏感材料和催化劑燒結，金屬氧化物有：催化劑燒結，金屬氧化物有：N N型半導體和型半導體和P P型半導體。型半導體。223,SnO Fe O ZnO TiO223,CoO PbO MnO CrOP型半導體如： 這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后則顯示出氣敏特性。后則顯示出氣敏特性。N型半導體如：通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導體（導體（N N型半導體）材料的型半導體）材料的電子吸附負電荷電子吸附負電荷，結果半導體材料，結果半導體

9、材料的的傳導電子減少傳導電子減少，電阻增加電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；，使器件處于高阻狀態(tài)；當氣敏元件與被測氣體接觸時，會與吸附的氧發(fā)生反應，將當氣敏元件與被測氣體接觸時，會與吸附的氧發(fā)生反應，將束縛的束縛的電子釋放出來電子釋放出來，敏感膜表面電導增加使元件，敏感膜表面電導增加使元件電阻減小電阻減小。導電機理用一句話描述：導電機理用一句話描述：半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電阻值變化，根據(jù)這一特性，從阻值的阻值變化，根據(jù)這一特性，從阻值的變化測出氣體的種類和濃度。變化測出氣體的種類和濃度。2SnO,A gA uP b2322,Al O SiO ZrO2

10、SnO 是電阻型金屬氧化物半導體傳感器的氣敏材料的是電阻型金屬氧化物半導體傳感器的氣敏材料的典型代表，這類半導體傳感器的使用溫度較高，大約典型代表，這類半導體傳感器的使用溫度較高，大約200200500500。為了進一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通。為了進一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向母料中添加一些貴金屬（如常向母料中添加一些貴金屬（如等），激活劑及粘接劑等），激活劑及粘接劑 等。等。目前常見的目前常見的更具有潛力更具有潛力 系列氣敏元件有系列氣敏元件有燒結型燒結型薄膜型薄膜型厚膜型厚膜型應用最多應用最多1燒結型 氣敏元件2SnO燒結型燒結型 氣敏元件是目前工藝最成熟的氣敏元

11、件，氣敏元件是目前工藝最成熟的氣敏元件， 其敏感體是用粒徑很小的其敏感體是用粒徑很小的 粉體為基本材料，與粉體為基本材料，與不同的不同的添加劑添加劑混合均勻，采用典型的混合均勻，采用典型的陶瓷工藝陶瓷工藝制備，制備，工藝簡單，成本低廉。主要用于檢測可燃的還原性工藝簡單，成本低廉。主要用于檢測可燃的還原性氣體，敏感元件的工作溫度約氣體，敏感元件的工作溫度約300。2SnO2SnO按照其加熱按照其加熱方式，分為方式，分為2SnO直熱式直熱式旁熱式旁熱式 直熱式直熱式 氣敏元件，又稱為氣敏元件，又稱為內熱式內熱式器件。由芯片器件。由芯片( (包包括敏感體和加熱器括敏感體和加熱器) )、基座和金屬防爆

12、網(wǎng)罩三部分組成。芯、基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。芯片結構的特點是在以為主要成分的片結構的特點是在以為主要成分的燒結體燒結體中埋設兩根作為電中埋設兩根作為電極并兼作加熱器的螺旋形極并兼作加熱器的螺旋形鉑銥合金線鉑銥合金線。 優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，但其熱容量小，易受環(huán)境優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，但其熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，穩(wěn)定性差。氣流的影響，穩(wěn)定性差。2SnO圖圖9-2 9-2 直熱式氣敏器件結構直熱式氣敏器件結構 其可靠性和使用壽命都較直其可靠性和使用壽命都較直熱式氣敏元件為高。目前市售熱式氣敏元件為高。目前市售的的SnO2 系氣敏元件大多為這種系氣敏元件大多為這種結構形式。結構形

13、式。 旁熱式旁熱式SnOSnO2 2 氣敏元件嚴格地講是一種厚膜型元件氣敏元件嚴格地講是一種厚膜型元件 。 在一根在一根薄壁陶瓷管薄壁陶瓷管的兩端設置一對金電極及的兩端設置一對金電極及鉑一銥合金絲鉑一銥合金絲引出線，然后在瓷管的外壁涂覆以引出線，然后在瓷管的外壁涂覆以SnO2為基礎材料配制的為基礎材料配制的漿料漿料層層，經(jīng)燒結后形成，經(jīng)燒結后形成厚膜氣體敏感層厚膜氣體敏感層。在陶瓷管內放入一根螺旋。在陶瓷管內放入一根螺旋形形高電阻金屬絲高電阻金屬絲作為加熱器作為加熱器( (加熱器電阻值一般為加熱器電阻值一般為303040)40)。 這種管芯的測量電極與加熱器分離，避免了相互干擾，而且這種管芯的

14、測量電極與加熱器分離，避免了相互干擾，而且元件的熱容量較大，減少了環(huán)境溫度變化對敏感元件特性的影元件的熱容量較大，減少了環(huán)境溫度變化對敏感元件特性的影響。響。旁熱式旁熱式 氣敏元件氣敏元件2SnO旁熱式氣敏元件結構旁熱式氣敏元件結構2厚膜型 氣敏元件2SnO基片基片加熱器加熱器氣體敏感層氣體敏感層厚膜型厚膜型組成組成 厚膜型厚膜型SnOSnO2 2氣敏元件是用氣敏元件是用絲網(wǎng)印刷技術絲網(wǎng)印刷技術將漿料制備而成將漿料制備而成的，其機械強度和一致性都比較好，且與的，其機械強度和一致性都比較好，且與厚膜混合集成電路厚膜混合集成電路工藝工藝能較好相容，可將氣敏元件與阻容元件制作在同一基片能較好相容，可

15、將氣敏元件與阻容元件制作在同一基片上，利用微組裝技術與半導體集成電路芯片組裝在一起，構上，利用微組裝技術與半導體集成電路芯片組裝在一起，構成具有一定功能的器件。成具有一定功能的器件。圖圖9-4 9-4 厚膜型氣敏元件結構示意圖厚膜型氣敏元件結構示意圖3薄膜型 SnO2 氣敏元件 由于由于燒結型燒結型SnOSnO2 2氣敏元件的工作溫度約氣敏元件的工作溫度約300300，此溫度下貴，此溫度下貴金屬與環(huán)境中的有害氣體金屬與環(huán)境中的有害氣體( (如如SOSO2 2 之類之類) )作用會發(fā)生作用會發(fā)生“中毒中毒”現(xiàn)現(xiàn)象，使其活性大幅度下降，因而造成氣敏元件的氣敏性能下降，象，使其活性大幅度下降，因而造

16、成氣敏元件的氣敏性能下降，長期穩(wěn)定性、氣體識別能力等降低。長期穩(wěn)定性、氣體識別能力等降低。 薄膜型薄膜型SnOSnO2 2 氣敏元件的工作溫度較低氣敏元件的工作溫度較低( (約為約為250 )250 )，并且，并且這種元件具有很大的表面積，自身的活性較高，本身氣敏性很這種元件具有很大的表面積，自身的活性較高，本身氣敏性很好；催化劑好；催化劑“中毒中毒”不十分明顯。不十分明顯。 薄膜型薄膜型器件一般是在絕器件一般是在絕緣基板上，蒸發(fā)或濺射一層緣基板上，蒸發(fā)或濺射一層SnOSnO2 2薄膜薄膜再引出電極。并且再引出電極。并且可利用器件對不同氣體的可利用器件對不同氣體的敏敏感特性感特性實現(xiàn)對不同氣體

17、的選實現(xiàn)對不同氣體的選擇性檢測。擇性檢測。圖圖9-5 9-5 薄膜型氣敏傳感器結構薄膜型氣敏傳感器結構 非電阻型非電阻型氣敏傳感器氣敏傳感器主要包括：主要包括： 利用利用MOSMOS二極管二極管的電容的電容電壓特性變化的電壓特性變化的MOSMOS二極二極管型管型氣敏傳感器；氣敏傳感器； 利用利用MOSMOS場效應管場效應管的閾值電壓變化的的閾值電壓變化的MOSMOS場效應管場效應管型型氣敏傳感器。氣敏傳感器。9.1.3 非電阻型半導體氣敏傳感器 Pd- MOSMOS二極管二極管氣敏元件是氣敏元件是在在P P型硅上集成一層型硅上集成一層二氧化硅二氧化硅層，層，在氧化層蒸發(fā)一層鈀（在氧化層蒸發(fā)一層

18、鈀（PdPd）金屬膜作）金屬膜作柵電極柵電極。氧化層（。氧化層（SiOSiO2 2）的）的電容電容CaCa是固定不變的。而硅片與是固定不變的。而硅片與 SiO2 層電容層電容CsCs是外加電壓的是外加電壓的函函數(shù)數(shù)，所以總電容，所以總電容C C是是柵極柵極偏壓的函數(shù)，偏壓的函數(shù)，其函數(shù)關系稱為該其函數(shù)關系稱為該MOSMOS管的管的電容一電壓電容一電壓(CU)(CU)特性。特性。MOSMOS二極管的等效電容二極管的等效電容C C隨電壓隨電壓U U變化變化。圖圖9-6 PdMOS9-6 PdMOS二極管敏感元件結構和等效電路二極管敏感元件結構和等效電路 由于由于金屬鈀（金屬鈀（PdPd）對對氫氣氫

19、氣特別敏感。當特別敏感。當PdPd吸附氫氣以吸附氫氣以后，使后，使PdPd的功函數(shù)下降，且所吸附氣體的的功函數(shù)下降，且所吸附氣體的濃度濃度不同功函數(shù)不同功函數(shù)變化量不同，這將引起變化量不同，這將引起MOSMOS管的管的CUCU特性向左平移（向負方特性向左平移（向負方向偏移）向偏移）。由此可測定氫氣的濃度。由此可測定氫氣的濃度。圖9-7 MOS管的CU特性9.1.4 氣敏傳感器的應用 各各類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警都可以用相應的氣體傳感器及其相關電路報警都可以用相應的氣體傳感器及其相關電路來來實現(xiàn)，如氣體成分檢測儀、氣體報警器、空氣凈實現(xiàn)，如氣體

20、成分檢測儀、氣體報警器、空氣凈化器等等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂場所化器等等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂場所等。等。 對于丙烷、丁烷、甲烷對于丙烷、丁烷、甲烷等氣體，報警濃度一般選等氣體，報警濃度一般選定在其爆炸下限的定在其爆炸下限的110，通過調整電阻來調節(jié)。通過調整電阻來調節(jié)。1. 簡易家用氣體報警 一種最簡單的家用氣體報一種最簡單的家用氣體報警器電路，采用直熱式氣敏傳警器電路，采用直熱式氣敏傳感器感器TGSlO9TGSlO9，當室內可燃性氣，當室內可燃性氣體濃度體濃度增加增加時，氣敏器件接觸時，氣敏器件接觸到可燃性氣體而到可燃性氣體而電阻值降低電阻值降低，這樣流經(jīng)測試回路的電流增加，這

21、樣流經(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅動蜂鳴器可直接驅動蜂鳴器BZBZ報警。報警。圖圖9-8 9-8 最簡單的家用氣體報警器電路最簡單的家用氣體報警器電路直熱式氣敏傳感器直熱式氣敏傳感器呼氣管呼氣管酒精測試儀酒精測試儀家庭用液化氣家庭用液化氣報警器報警器家庭用煤氣報警器家庭用煤氣報警器一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器汽車尾氣分析汽車尾氣分析9.2 9.2 濕度傳感器濕度傳感器 濕度的檢測與控制在工業(yè)、農業(yè)、氣象、醫(yī)濕度的檢測與控制在工業(yè)、農業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活中的地位越來越重要。療以及日常生活中的地位越來越重要。 例如例如: :許多儲物倉庫在濕度超過某一程度時，許多儲物倉庫在濕度超過某一程度時，

22、物品易發(fā)生變質或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適物品易發(fā)生變質或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在中；而紡織廠要求車間的濕度保持在60607070RHRH；在農業(yè)生產中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保在農業(yè)生產中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進行檢測和控制。鮮等都需要對濕度進行檢測和控制。/VAHmV 濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對濕度、相對濕度、露點絕對濕度、相對濕度、露點等表示。等表示。待測空氣中待測空氣中水蒸氣質量水蒸氣質量待測空氣的待測空氣的總體積總體積9.2.1 濕度的表示方法1. 1. 絕對濕

23、度絕對濕度 所謂絕對濕度就是在一定溫度和壓力條件下，所謂絕對濕度就是在一定溫度和壓力條件下，單位單位體積空氣體積空氣內所內所含水蒸氣含水蒸氣的的質量質量，也就是指空氣中水蒸，也就是指空氣中水蒸氣的密度。一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)氣的密度。一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示，即為表示，即為絕對濕度絕對濕度（g/mg/m3 3）max(/)100%tRHP P 相對濕度是表示空氣中實際所含水蒸氣的分壓相對濕度是表示空氣中實際所含水蒸氣的分壓（P P）和）和同溫度同溫度下下飽和水蒸氣飽和水蒸氣的分壓（的分壓（P Pmaxmax）的百分比，）的百分比，即即 通常，用通常，用RHRH表示

24、相對濕度。當溫度和壓力變化時，表示相對濕度。當溫度和壓力變化時，因因飽和水蒸氣飽和水蒸氣變化，所以氣體中的變化，所以氣體中的水蒸氣壓水蒸氣壓即使相同，即使相同，其其相對濕度相對濕度也發(fā)生變化。也發(fā)生變化。 顯然，顯然，絕對濕度給出了水分在空間的具體含量絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，相對濕度則給出了大氣的潮濕程度相對濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更廣泛。，故使用更廣泛。日常生活中所說的空氣濕度，實際上就是指相對濕度日常生活中所說的空氣濕度，實際上就是指相對濕度而言。而言。2. 相對濕度溫度溫度 在一定大氣壓下，將含水蒸氣的在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻空氣冷卻，當降到某溫，當降到

25、某溫度時，空氣中的度時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)水蒸氣達到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而而凝結成露珠凝結成露珠，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為結露結露，此時的溫度稱為，此時的溫度稱為露點或露點或露點溫度露點溫度。如果這一特定溫度低于。如果這一特定溫度低于00，水氣將凝結成霜，此，水氣將凝結成霜，此時稱其為時稱其為霜點霜點。通常對兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為。通常對兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為露點露點，其單位，其單位為為。 3. 露點9.2.2 濕度傳感器的分類 濕敏元件濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。產品的基本形式都是最簡單的濕度傳感器。產品的基本形式都是是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜在基片

26、上涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數(shù)發(fā)生很大的變化于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數(shù)發(fā)生很大的變化，從，從而制成濕敏元件。而制成濕敏元件。濕敏元件根據(jù)工作方式的不同濕敏元件根據(jù)工作方式的不同電阻式電阻式電容式電容式 濕敏元件濕敏元件是指對是指對環(huán)境濕度環(huán)境濕度具有響應或轉換成相應可測信號具有響應或轉換成相應可測信號的元件的元件 濕度傳感器濕度傳感器是由是由濕敏元件及轉換電路濕敏元件及轉換電路組成的，具有把組成的，具有把環(huán)境濕度轉換為電信號的能力。環(huán)境濕度轉換為電信號的能力。 濕敏電阻濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的的特

27、點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。利用這一特性即可測量濕度。1. 濕敏電阻 濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差的互換性差. .濕敏電阻的種類濕敏電阻的種類金屬氧化物濕敏電阻金屬氧化物濕敏電阻硅濕敏電阻硅濕敏電阻碳濕敏電阻碳濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻陶瓷濕敏電阻陶瓷濕敏電阻高分子濕敏電阻高分子濕敏電阻2. 濕敏電容 當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容當環(huán)

28、境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容極間介質極間介質的的介電常數(shù)介電常數(shù)發(fā)生變化，使其發(fā)生變化，使其電容量電容量也發(fā)生變化，其也發(fā)生變化，其電容變化量與相對電容變化量與相對濕度成正比濕度成正比。 濕敏電容的主要濕敏電容的主要優(yōu)點優(yōu)點是：靈敏度高、產品互換性好、響是：靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。按照極間介質的不同，按照極間介質的不同，濕敏電容分為濕敏電容分為有機高分子有機高分子陶瓷材料陶瓷材料 除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有除

29、電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質離子型濕電解質離子型濕敏元件敏元件、重量型濕敏元件重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、蕩頻率）、光強型濕敏元件光強型濕敏元件、聲表面波濕敏聲表面波濕敏元件等。元件等。 氯化鋰濕敏電阻是利用物質吸收水分子而使氯化鋰濕敏電阻是利用物質吸收水分子而使導電率導電率變化變化來檢測濕度。來檢測濕度。 在氯化鋰溶液中，在氯化鋰溶液中，LiLi和和ClCl以正負離子的形式存在，鋰離以正負離子的形式存在，鋰離子（子（Li+Li+）對水分子的吸收力強，離子水合成度高，溶液中）對水分子的吸收力強，離子水合成度高，溶液中的離子導電能

30、力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導電率的離子導電能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導電率上升。上升。 當溶液置于一定濕度場中，當溶液置于一定濕度場中，若環(huán)境若環(huán)境RHRH上升，溶液吸收水上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆担娮杪史肿邮節(jié)舛认陆?，電阻率上升，上升，反之反之RHRH下降，電阻率下降，電阻率下下降降。通過測量溶液電阻值。通過測量溶液電阻值R R實現(xiàn)對濕度的測量。實現(xiàn)對濕度的測量。 9.2.3 電阻式濕度傳感器1 1氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻 在梳在梳狀或柱狀狀或柱狀電極間的電極間的電阻值的電阻值的變化反映變化反映了空氣相了空氣相對濕度的對濕度的變化。變化。氯化鋰電阻濕度傳感器分梳狀

31、和柱狀氯化鋰電阻濕度傳感器分梳狀和柱狀圖圖9-14 9-14 氯化鋰電阻濕度傳感器氯化鋰電阻濕度傳感器 氯化鋰濃度不同的單片濕度傳感器，其感濕的范圍也不同。氯化鋰濃度不同的單片濕度傳感器，其感濕的范圍也不同。 濃度低的單片濕度傳感器對高濕度敏感，而濃度高的單片濕濃度低的單片濕度傳感器對高濕度敏感，而濃度高的單片濕度傳感器對低濕度敏感。度傳感器對低濕度敏感。 一般的單片濕度傳感器的一般的單片濕度傳感器的濕敏范圍濕敏范圍僅在僅在3030RHRH左右，如左右，如10103030、20204040、40407070、70709090、80809999等。每一種傳感器的測量范圍較窄，故應按照測量范圍的等

32、。每一種傳感器的測量范圍較窄，故應按照測量范圍的要求，選用相應的量程。為擴大測量范圍，可采用多片組合傳要求，選用相應的量程。為擴大測量范圍，可采用多片組合傳感器。感器。 新型氯化鋰濕度傳感器具有長期工作穩(wěn)定性好、精度高、響新型氯化鋰濕度傳感器具有長期工作穩(wěn)定性好、精度高、響應迅速等優(yōu)點，但在有結露時易失效。它適合空調系統(tǒng)使用。應迅速等優(yōu)點，但在有結露時易失效。它適合空調系統(tǒng)使用。2陶瓷濕敏傳感器 半導體陶瓷半導體陶瓷濕敏電阻通常用兩種以上的金屬氧濕敏電阻通常用兩種以上的金屬氧化物半導體在高溫化物半導體在高溫13001300下燒結成下燒結成多孔陶瓷多孔陶瓷。半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻

33、分為兩種分為兩種一種材料的一種材料的電阻率隨濕度增加而電阻率隨濕度增加而下降下降，稱為，稱為負特性負特性半導體陶瓷濕半導體陶瓷濕敏電阻（例：敏電阻（例：ZnO-LiOZnO-LiO2 2-V-V2 2O O5 5）。）。一種材料一種材料( (如如FeFe3 3O O4 4半導瓷半導瓷) )的的電電阻率隨著濕度的增加而增大阻率隨著濕度的增加而增大，稱，稱為為正特性正特性半導體陶瓷濕敏電阻。半導體陶瓷濕敏電阻。 由于水分子中的氫原子具有很強的由于水分子中的氫原子具有很強的正電場正電場，當，當水在水在半導體陶瓷表面半導體陶瓷表面附著時，就可能從半導體陶附著時，就可能從半導體陶瓷表面俘獲瓷表面俘獲電子

34、電子，使半導體陶瓷表面帶，使半導體陶瓷表面帶負電負電，相，相當于當于表面電勢變負表面電勢變負。 已知一系列的金屬氧化物，特別是過渡金屬氧已知一系列的金屬氧化物，特別是過渡金屬氧化物及其鹽類都具有這樣特性，如化物及其鹽類都具有這樣特性，如22 4,ZnOCuOTiO ZnCrOP型半導型半導體陶體陶瓷瓷N型半導體陶瓷型半導體陶瓷水水表面電勢下降表面電勢下降電阻下降電阻下降 對于對于N N半體導陶瓷，由于水分子附著同樣會使表面電勢下降，半體導陶瓷，由于水分子附著同樣會使表面電勢下降，如果表面電勢下降比較多，不僅使表面的電子耗盡，同時將大量如果表面電勢下降比較多，不僅使表面的電子耗盡，同時將大量的空

35、穴吸引到表面層，以至有可能達到表面層的空穴濃度高于電的空穴吸引到表面層，以至有可能達到表面層的空穴濃度高于電子濃度的程度，出現(xiàn)所謂表面子濃度的程度，出現(xiàn)所謂表面反型層反型層，這些空穴稱為，這些空穴稱為反型載流子反型載流子 ，它們同樣可以在表面遷移而對電導做出貢獻。這就說明水分子的它們同樣可以在表面遷移而對電導做出貢獻。這就說明水分子的附著同樣可以使附著同樣可以使N N型半導瓷材料型半導瓷材料的的表面電阻下降表面電阻下降。 由于水分子的吸附使表面由于水分子的吸附使表面電勢下降電勢下降，這類材料就是，這類材料就是負特負特性濕敏半導體陶瓷性濕敏半導體陶瓷。它的。它的阻值阻值隨著隨著濕度濕度的增加可以

36、下降的增加可以下降三至三至四個數(shù)量級四個數(shù)量級。 對于阻值隨濕度增加而增大的這類正特性濕敏半導體陶對于阻值隨濕度增加而增大的這類正特性濕敏半導體陶瓷，這類材料的結構、電子能量狀態(tài)與負特性有所不同。當瓷，這類材料的結構、電子能量狀態(tài)與負特性有所不同。當水分子的附著使表面電勢變負時，造成表面層水分子的附著使表面電勢變負時，造成表面層電子濃度的下電子濃度的下降降，但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型的程度，但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型的程度，此時仍以電子導電為主此時仍以電子導電為主。于是。于是表面電阻將由于電子濃度的下表面電阻將由于電子濃度的下降而增大降而增大，這類半導瓷材料的表

37、面層，這類半導瓷材料的表面層電阻將隨環(huán)境濕度的增電阻將隨環(huán)境濕度的增加而加大加而加大。 如果對于某一種半體陶導瓷，它的晶粒間界電阻與體內如果對于某一種半體陶導瓷，它的晶粒間界電阻與體內電阻相比并不很大，那么表面層電阻的加大對總電阻將不起電阻相比并不很大，那么表面層電阻的加大對總電阻將不起多大作用。不過，通常濕敏半導體陶瓷材料都是多大作用。不過，通常濕敏半導體陶瓷材料都是多孔型多孔型的，的，表面電阻占的比例很大表面電阻占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總，故表面層電阻的升高，必將引起總阻值的明顯升高。但由于晶體內部低阻支路依然存在，所以阻值的明顯升高。但由于晶體內部低阻支路依然存在，所以

38、總阻值的升高不像負特性材料中的阻值下降那么明顯?？傋柚档纳卟幌褙撎匦圆牧现械淖柚迪陆的敲疵黠@。 正特性濕敏半導體陶瓷 由金屬氧化物粉末或某由金屬氧化物粉末或某些金屬氧化物燒結體研些金屬氧化物燒結體研成的粉末，通過一定方成的粉末，通過一定方式的調合、噴灑或涂覆式的調合、噴灑或涂覆在具有叉指電極的陶瓷在具有叉指電極的陶瓷基片上而制成的。基片上而制成的。涂覆膜型的濕敏元件涂覆膜型的濕敏元件水水電阻下降電阻下降涂覆膜型的濕敏元件由于粉粒之間通常是很松散的由于粉粒之間通常是很松散的“準自由準自由”表面，這些表面都表面，這些表面都非常有利于水分子附著，特別非常有利于水分子附著，特別是粉粒與粉粒之間不太緊

39、密的是粉粒與粉粒之間不太緊密的接觸更有利于水分子的附著。接觸更有利于水分子的附著。極性的、離解力極強的水分子極性的、離解力極強的水分子在粉粒接觸處的附著將使其接在粉粒接觸處的附著將使其接觸程度強化，并且接觸電阻顯觸程度強化，并且接觸電阻顯著降低。著降低。 因此因此環(huán)境濕度越高，水分子附著越多，接觸電阻環(huán)境濕度越高，水分子附著越多，接觸電阻就越低就越低。 由于接觸電阻在濕敏元件中是起主導作用的，所由于接觸電阻在濕敏元件中是起主導作用的，所以隨著環(huán)境濕度的增加，元件的電阻下降。而且，不以隨著環(huán)境濕度的增加，元件的電阻下降。而且，不論是用負特性型還是正特性型的濕敏瓷粉作為原料，論是用負特性型還是正特

40、性型的濕敏瓷粉作為原料，只要其結構是屬于粉粒堆集型的，其阻值都將隨著環(huán)只要其結構是屬于粉粒堆集型的，其阻值都將隨著環(huán)境濕度的增高而顯著下降。境濕度的增高而顯著下降。 例如，燒結型例如，燒結型FeFe3 3O O4 4濕敏電阻具有正特性，而瓷粉濕敏電阻具有正特性，而瓷粉膜型膜型FeFe3 3O O4 4濕敏電阻具有負特性。濕敏電阻具有負特性。 在諸多的在諸多的金屬氧化物金屬氧化物陶瓷材料陶瓷材料中，由鉻酸鎂中，由鉻酸鎂二氧化鈦固溶體組成的多二氧化鈦固溶體組成的多孔性孔性半導體陶瓷半導體陶瓷是性能較是性能較好的濕敏材料，它的表面好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內電阻率能在很寬的范圍內隨著

41、濕度的變化而變化，隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進行而且能在高溫條件下進行反復的熱清洗，性能仍保反復的熱清洗，性能仍保持不變。持不變。 圖圖9-15 9-15 陶瓷濕敏元件結構陶瓷濕敏元件結構242TiOOMgCr 陶瓷濕敏傳感器具有較好的熱穩(wěn)定性，較強陶瓷濕敏傳感器具有較好的熱穩(wěn)定性，較強的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環(huán)境中測得的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環(huán)境中測得準確的濕度數(shù)據(jù)等優(yōu)點；準確的濕度數(shù)據(jù)等優(yōu)點； 另外測濕范圍寬，基本上可以實現(xiàn)全濕范圍另外測濕范圍寬，基本上可以實現(xiàn)全濕范圍內的濕度測量；內的濕度測量； 工作溫度高，常溫濕敏傳感器的工作溫度在工作溫度高，常溫濕敏傳感

42、器的工作溫度在150150以下，而高溫濕敏傳感器的工作溫度可達以下，而高溫濕敏傳感器的工作溫度可達800800； 響應時間短，精度高，工藝簡單，成本低等。響應時間短，精度高，工藝簡單，成本低等。所以在實用中占有很重要的位置所以在實用中占有很重要的位置。 高分子電阻式濕度傳感器使用高分子電阻式濕度傳感器使用高分子固體電解質材料制作高分子固體電解質材料制作感濕膜感濕膜，由于膜中的可動離子而產生導電性，隨著濕度的增加，由于膜中的可動離子而產生導電性，隨著濕度的增加，其電離作用增強，使可動離子的濃度增大，電極間的電阻值減其電離作用增強，使可動離子的濃度增大，電極間的電阻值減小。反之，電阻值增大。小。反

43、之，電阻值增大。因此，濕度傳感器對水分子的吸附和因此，濕度傳感器對水分子的吸附和釋放情況，可通過電極間電阻值的變化檢測出來，從而得到相釋放情況，可通過電極間電阻值的變化檢測出來，從而得到相應的濕度值。應的濕度值。3高分子電阻式濕度傳感器 由于它們的檢測范圍不同，因而在實用上各自有著不同由于它們的檢測范圍不同，因而在實用上各自有著不同的用途。下面以高分子結構效應型濕度傳感器為例講述其工作的用途。下面以高分子結構效應型濕度傳感器為例講述其工作原理。原理。 高分子電阻式濕度傳高分子電阻式濕度傳感器可以分為兩類感器可以分為兩類一類是高分子結構效應型濕度傳感器一類是高分子結構效應型濕度傳感器另一類是高分

44、子尺寸效應型濕度傳感器另一類是高分子尺寸效應型濕度傳感器高分子結構效應高分子結構效應型濕度傳感器型濕度傳感器水水電阻下降電阻下降通常是將含有強極性基的高分子電解通常是將含有強極性基的高分子電解質及其鹽質及其鹽 、 、- -NHNH2 2等高分子材料制成感濕電阻式膜。等高分子材料制成感濕電阻式膜。水吸附水吸附在強極性基高分子上，隨著濕在強極性基高分子上，隨著濕度的增大吸附量增加，吸附水之間凝度的增大吸附量增加，吸附水之間凝聚化呈液態(tài)水狀態(tài)。聚化呈液態(tài)水狀態(tài)。測定這種濕度傳感器電阻值時，在測定這種濕度傳感器電阻值時，在低濕吸附量少低濕吸附量少的情況下，由的情況下，由于沒有電荷離子產生，于沒有電荷離

45、子產生，電阻值很高電阻值很高。當相對濕度增加時，凝聚。當相對濕度增加時，凝聚化的吸附水就成為導電通道，高分子電解質的成對離子主要起化的吸附水就成為導電通道，高分子電解質的成對離子主要起載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質子及水和氫離載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質子及水和氫離子也起電荷載流子作用，這就使傳感器的電阻急劇下降。子也起電荷載流子作用，這就使傳感器的電阻急劇下降。4NHCl3SO H 利用高分子電解利用高分子電解質在不同濕度條件下質在不同濕度條件下電離產生的導電離子電離產生的導電離子數(shù)量不等使阻值變化，數(shù)量不等使阻值變化，就可測定環(huán)境中的濕就可測定環(huán)境中的濕度。度。高分子結構效應型濕度傳感器