氣濕敏傳感器

傳感器原理及應用第九章氣、濕敏傳感器2/3/2023傳感器原理及應用概述氣敏傳感器：檢測氣體濃度和成分，主要用于環(huán)境保護和安全監(jiān)督等方面。濕敏傳感器：檢測濕度情況，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技和生活等各個領域。2/3/2023傳感器原理及應用9.1氣敏傳感器分類：通常以氣敏特性來分類，主要可分為：半導體型氣敏傳感器，電化學型氣敏傳感器，固體電解質(zhì)氣敏傳感器，接觸燃燒式氣敏傳感器，光化學型氣敏傳感器，高分子氣敏傳感器等。

2/3/2023傳感器原理及應用一、半導體氣敏傳感器元件材料：金屬氧化物或金屬半導體氧化物，作用原理：與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應，引起以載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化。借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度，并將其變換成電信號輸出。應用范圍：可用于檢測氣體中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧氣、氫氣等）。2/3/2023傳感器原理及應用應用場合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警?；疽螅?/p>

1、對被測氣體有高的靈敏度。

2、氣體選擇性好。

3、能夠長期穩(wěn)定工作。

4、響應速度快。2/3/2023傳感器原理及應用分類：

按照與氣體的相互作用是局限于半導體內(nèi)部還是涉及到外部分為表面控制型和體控制型；按照半導體變化的物理特性分為電阻式和非電阻式。2/3/2023傳感器原理及應用表9.1

半導體氣體傳感器的分類

主要物理特性傳感器舉例工作溫度典型被測氣體電阻式電阻表面控制型氧化銀、氧化鋅室溫-450℃可燃性氣體體控制型氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、氧化錫700℃以上酒精、氧氣、可燃性氣體非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫-200℃氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場效應晶體管150℃氫氣、硫化氫表面控制型2/3/2023傳感器原理及應用電阻式半導體氣敏傳感器：其電阻隨著氣體含量不同而變化;

主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣敏傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜（例如SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2等）制成的阻抗器件。2/3/2023傳感器原理及應用二、表面控制型電阻式半導體氣敏傳感器當表面吸附某種氣體時會引起電導率的變化.1、結構與分類由氣敏元件、加熱器、封裝部分組成；按制造工藝可分為燒結型、薄膜型、厚膜型。按加熱方式分為內(nèi)熱式和旁熱式。2/3/2023傳感器原理及應用圖9.1某氣敏傳感器的整體結構2/3/2023傳感器原理及應用（1）燒結型將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,經(jīng)加熱成型后低溫燒結而成。燒結型輸出極加熱電極金屬氧化物目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結型氣敏元件,它的加熱溫度較低,一般在200－300℃,SnO2氣敏半導體對許多可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。2/3/2023傳感器原理及應用（2）薄膜型

在石英基片上蒸發(fā)或濺射一層半導體薄膜制成（厚度0.1μm以下）。上下為輸出電極和加熱電極，中間為加熱器。薄膜型輸出極加熱器金屬氧化物加熱電極2/3/2023傳感器原理及應用（3）厚膜型將金屬氧化物粉末、添加劑、粘合劑等混合配成漿料，將漿料印刷到基片上，制成數(shù)十微米的厚膜。靈敏度、工藝性、機械強度和一致性等方面，厚膜氣敏元件較好。厚膜型氧化鋁基片半導體氧化物Pt電極加熱器2/3/2023傳感器原理及應用內(nèi)熱式氣敏器件結構（4）內(nèi)熱式加熱絲和測量絲都直接埋在基體材料內(nèi)；制造工藝簡單、成本低、功耗小、可以在高電壓回路下使用；熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測量回路與加熱回路之間沒有隔離，相互影響。2/3/2023傳感器原理及應用旁熱式氣敏器件結構（5）旁熱式管芯增加了陶瓷管，管內(nèi)放加熱絲，管外涂梳狀金電極做測量極，在金電極外涂SnO2等氣敏材料；測量極與加熱絲分離，加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路與加熱回路之間的相互影響，熱容量大，不易受環(huán)境氣流的影響。2/3/2023傳感器原理及應用注：加熱器的作用（1）使附著在元件上的油污、塵埃燒掉。（2）加速氣體的氧化、還原反應，提高器件的靈敏度及響應速度。2/3/2023傳感器原理及應用

2、工作原理元件加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，當有氣體吸附時，吸附分子在氣敏元件表面自由擴散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸發(fā)掉，一部分吸附分子產(chǎn)生熱分解固定在吸附處(化學吸附)。當半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向半導體釋放電子成為正離子吸附，半導體載流子數(shù)增加，半導體電阻率減少，阻值降低。具有正離子吸附傾向的氣體被稱為還原性氣體(例H2、CO、炭氫化合物和酒類等)。當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，吸附分子從半導體奪走電子成為負離子吸附，半導體載流子數(shù)減少，電阻率增大，阻值增大。具有負離子吸附傾向的氣體被稱為氧化性氣體(例O2、NOx等)。2/3/2023傳感器原理及應用元件加熱正常狀態(tài)吸附還原性氣體吸附氧化性氣體吸附氣體后空氣中元件電阻100500元件阻值變化時間2/3/2023傳感器原理及應用當吸附還原性氣體時，N型半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向半導體釋放電子成為正離子吸附，半導體載流子數(shù)增加，半導體電阻率減少，阻值降低。當吸附氧化性氣體時，N型半導體的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，吸附分子從半導體奪走電子成為負離子吸附，半導體載流子數(shù)減少，電阻率增大，阻值增大.

對于P型半導體器件，情況剛好相反，氧化性氣體使其電阻減小，還原性氣體使其電阻增大。2/3/2023傳感器原理及應用注：(1)檢測不同氣體，加熱溫度及添加物質(zhì)不同，目的是使傳感器對不同氣體有選擇性。2/3/2023傳感器原理及應用圖中EH為加熱電源,EC為測量電源,電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化,輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。特別在低濃度下靈敏度高,而高濃度下趨于穩(wěn)定值。因此,常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。氣敏元件的基本測量電路三、氣敏元件的基本測量電路2/3/2023傳感器原理及應用1、電源電路一般氣敏元件的工作電壓不高(3V～10V)，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點漂移，影響檢測準確性。2/3/2023傳感器原理及應用2、輔助電路在設計、制作應用電路時，應考慮氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)。如：采用溫度補償電路，以減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設置延時電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導致漏報現(xiàn)象。2/3/2023傳感器原理及應用下圖是一溫度補償電路。當環(huán)境溫度降低時，則負溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應的輸出電壓得到補償。BZ~U氣敏傳感器氖管蜂鳴器NTC電阻WR1R2R3R4R5R6SCR2/3/2023傳感器原理及應用圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時電路。剛通電時，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，蜂鳴器(BZ)不發(fā)出報警。當通電1～2min后，阻值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進入正常的工作狀態(tài)。BZ氣敏傳感器PTC電阻R2R1R3R4BCR~UB蜂鳴器氖管2/3/2023傳感器原理及應用3、應用舉例例1：家用可燃性氣體報警器電路。~220VBZ氖管家用可燃性氣體報警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR圖是設有串聯(lián)蜂鳴器的應用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。2/3/2023傳感器原理及應用例2：實用酒精測試儀（測試駕駛員醉酒的程度）。2/3/2023傳感器原理及應用氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。工作原理：當氣體傳感器探測不到酒精時,加在A5腳的電平為低電平;當氣體傳感器探測到酒精時,其內(nèi)阻變低,從而使A5腳電平變高。A為顯示驅(qū)動器,它共有10個輸出端,每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管,顯示推動器A根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點亮發(fā)光二極管的級數(shù),酒精含量越高則點亮二極管的級數(shù)越大。上5個發(fā)光二極管為紅色,表示超過安全水平。下5個發(fā)光二極管為綠色,代表安全水平,酒精含量不超過0.05%。

2/3/2023傳感器原理及應用例3：礦井瓦斯超限報警器2/3/2023傳感器原理及應用四、非電阻式半導體氣體傳感器

包括MOS二極管式和結型二極管式以及場效應管式（MOSFET）半導體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測氫和硅烷氣等可燃性氣體。2/3/2023傳感器原理及應用9.2濕敏傳感器一、濕度及其表示

濕度是指大氣中所含的水蒸汽量。（1）絕對濕度單位體積空間內(nèi)所含有水蒸汽的質(zhì)量(密度)。2/3/2023傳感器原理及應用（2）相對濕度被測空氣中實際所含水蒸汽的分壓和同溫度下飽和水蒸汽分壓的百分比。（3）露點溫度

空氣壓力不變，為使其所含水蒸氣達到飽和狀態(tài)，必須冷卻到的溫度稱為露點溫度。 氣溫與露點溫度差越小，表示空氣越接近飽和。2/3/2023傳感器原理及應用二、濕敏傳感器利用濕敏元件的電氣特性（如電阻值）隨濕度的變化而變化的原理進行濕度測量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質(zhì)，或通過蒸發(fā)、涂覆等工藝在表面上制備一層金屬、半導體、高分子薄膜和粉末狀顆粒而制成的元器件。2/3/2023傳感器原理及應用1、氯化鋰濕敏傳感器利用濕敏元件在吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的H+離子的傳導狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元件的電阻值發(fā)生變化的傳感器。結構：在條狀絕緣基片（如無堿玻璃）的兩面，用真空蒸鍍法或化學沉積法做上電極，再浸漬一定比例配制的氯化鋰－聚乙烯醇混合溶液，經(jīng)老化處理而制成。2/3/2023傳感器原理及應用2/3/2023傳感器原理及應用工作原理：

在氯化鋰溶液中，Li和Cl均以正負離子的形式存在，而Li+離子對水分子的吸引力強，離子水合程度高，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫濕場中,若環(huán)境相對濕度高,溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?因此,其溶液電阻率增高，阻值升高。反之,環(huán)境相對濕度變低時,則溶液濃度升高,其電阻率下降,阻值下降。 2/3/2023傳感器原理及應用玻璃帶上浸漬LiCl的濕敏元件的電阻-相對濕度特性:由圖可看出，在50％～80％相對濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度的變化成線性關系?？蓪⒙然嚭坎煌亩鄠€器件組合使用，擴大濕度測量的線性范圍。如浸漬1％～1.5%濃度的器件可檢測(20％～50％)RH范圍內(nèi)的濕度,而浸漬0.5%濃度的器件可檢測(40％～80％)RH范圍內(nèi)的濕度,兩者配合使用可檢測(20％～80％)RH范圍內(nèi)的濕度。2/3/2023傳感器原理及應用氯化鋰濕敏元件的優(yōu)缺點：優(yōu)點：滯后小,不受測試環(huán)境風速影響,檢測精度高達±５%,缺點：耐熱性差,不能用于露點以下測量,器件性能的重復性不理想,使用壽命短。2/3/2023傳感器原理及應用2、半導體陶瓷濕敏電阻

結構：通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。分類：(1)、按照電阻率與濕度的關系負特性濕敏半導體陶瓷：電阻率隨濕度增加而下降，如ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系等。正特性濕敏半導體陶瓷：電阻率隨濕度增大而增大，如Fe3O4等。2/3/2023傳感器原理及應用(2)根據(jù)水分子在半導瓷表面的作用分為離子型和電子型

離子型：由絕緣材料制成的多孔陶瓷元件由于水在微孔中的物理吸附作用，在潮濕氣氛中出現(xiàn)H+離子，使元件的電導率變化。目前已有兩種處于實用階段，一種是以α-Fe2O3及K2CO3為主要成分,另一種以ZnO、V2O5、Li2O為主要成分。2/3/2023傳感器原理及應用以α-Fe2O3及K2CO3為主要成分的陶瓷濕敏傳感器的電阻與濕度的關系：2/3/2023傳感器原理及應用電子型：利用水分子在氧化物表面上的化學吸附導致元件電導率變化。元件的電導率是增加還是減小，決定于氧化物半導體是N型或P型。如氧化鋯-氧化鎂陶瓷濕敏傳感器是最近研制出來的一種能在高溫環(huán)境下進行濕度檢測的電子型濕敏傳感器,它是一種多孔質(zhì)N型半導體材料。2/3/2023傳感器原理及應用氧化鋯-氧化鎂陶瓷濕敏傳感器的結構：濕敏元件的四周裝有電熱元件,能將陶瓷加熱到300～700℃的工作溫度,使傳感器在高溫下檢測水蒸氣,并且能燒掉粘附在元件表面上的污物。該類傳感器已應用于食品加工、空氣調(diào)節(jié)器和干燥器等設備中。2/3/2023傳感器原理及應用負特性濕敏半導瓷的導電機理：由于水分子中的氫原子具有很強的正電場,當水在半導瓷表面吸附時,就有可能從半導瓷表面俘獲電子,使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是Ｐ型半導體,則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達其表面，其表面層的電阻下降； 2/3/2023傳感器原理及應用若該半導瓷為Ｎ型,則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多,不僅使表面層的電子耗盡,同時吸引更多的空穴達到表面層,有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度,出現(xiàn)所謂表面反型層,這些空穴稱為反型載流子，它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導特性，使表面電阻下降。由此可見,不論是Ｎ型還是Ｐ型半導瓷,其電阻率都隨濕度的增加而下降。2/3/2023傳感器原理及應用1：ZnO－LiO2－V2O5系2：Si－Na2O－V2O5系3：TiO2－MgO－Cr2O3系2/3/2023傳感器原理及應用MgCr2O4-TiO2濕敏元件負特性半導瓷；MgCr2O4為P型半導體；電阻率低，電阻－溫度特性好；陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極，金電極與引出線燒結在一起；陶瓷片外設置加熱線圈，對器件進行加熱清洗。2/3/2023傳感器原理及應用傳感器的電阻值即受濕度影響，又受溫度影響。2/3/2023傳感器原理及應用ZnO-Cr2O3濕敏元件結構：將多孔材料的金電極燒結在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中，用樹脂固定。特點：能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，無需加熱除污裝置，功耗低，體積小，成本低。2/3/2023傳感器原理及應用正特性濕敏半導瓷的導電機理:當水分子附著在半導瓷的表面使電動勢變負時,導致其表面層電子濃度下降,但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度,此時仍以電子導電為主。于是,表面電阻將由于電子濃度下降而加大,這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導瓷材料都是多孔的,表面電導占的比例很大,故表面層電阻的升高,必將引起總電阻值的明顯升高。由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在,正特性半導瓷的總電阻值的升高沒有負特性材料的阻值下降得那么明顯。2/3/2023傳感器原理及應用Fe3O4正特性半導瓷濕敏元件：結構：由基片、電極和感濕膜組成，在基片上制作一對梭狀金電極，將Fe3O4膠體液涂覆在金電極的表面。工作過程：當空氣濕度大時，F(xiàn)e3O4吸濕，元件阻值增大；當空氣濕度小時，F(xiàn)e3O4脫濕，元件阻值減小。2/3/2023傳感器原理及應用Fe3O4正特性半導瓷濕敏電阻阻值與濕度的關系曲線：2/3/2023傳感器原理及應用陶瓷濕敏傳感器的優(yōu)點：濕度滯后小,響應速度不超過10～15s,便于批量生產(chǎn)。陶瓷濕敏傳感器的缺點：其長期可靠性較差,易受環(huán)境溫度影響。2/3/2023傳感器原理及應用3、電容濕敏傳感器電容式濕敏傳感器是利用濕敏元件的電容值隨濕度變化的原理進行濕度測量的傳感器。薄片狀電容式濕敏傳感元件：濕敏元件是一種吸濕性電介質(zhì)材料的介電常數(shù)隨濕度而變化的薄片狀電容器。吸濕性電介質(zhì)材料（感濕材料）主要有高分子聚合物（例如乙酸-丁酸纖維素和乙酸-丙酸纖維素）和金屬氧化物（例如多孔氧化鋁）等。特點：測全濕范圍的濕度,且線性好,重復性好,滯后小,響應快,尺寸小,能在-10～70℃的環(huán)境溫度中使用。2/3/2023傳感器原理及應用一種高分子聚合膜電容式濕敏元件的結構(1)高分子聚合膜電容式濕敏元件在玻璃襯底或聚酰亞胺薄膜軟襯底上蒸鍍一層叉指形金電極（下電極）,在其表面上均勻涂覆（或浸漬）一層感濕膜（醋酸纖維膜）,在感濕膜的表面上再蒸鍍一層多孔性金薄膜（上電極）。2/3/2023傳感器原理及應用電容值與相對濕度的關系2/3/2023傳感器原理及應用響應特性特點：由于電容器的上電極是多孔的透明金薄膜，水分子能順利地穿透薄膜，且感濕膜只有一層呈微孔結構的薄膜，因此吸濕和脫濕容易，因此響應速度快。2/3/2023傳感器原理及應用一種氧化鋁薄膜電容式濕敏元件的結構(2)、氧化鋁薄膜電容式濕敏元件結構特點：其感濕膜為一層多孔氧化鋁薄膜,襯底為硼硅玻璃或藍寶石,上金膜電極和兩個下金或鉑電極形成兩個串聯(lián)電容器。原理：當空氣中的相對濕度變化時,吸附在氧化鋁薄膜上的水分子質(zhì)量變化,引起電容值變化。2/3/2023傳感器原理及應用三、濕度傳感器的工作電路振蕩器電橋放大器橋式整流電表指示直流電源9V濕度傳感器電橋測濕電路框圖對電路提供交流電源電橋的一臂為濕度傳感器，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號輸出。將交流信號變成直流信號2/3/2023傳感器原理及應用1、電源選擇一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效。一般使用振蕩器對電路提供交流電源。原因分析：電解質(zhì)濕度傳感器的電導是靠離子的移動實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負離子往返運動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞。2/3/2023傳感器原理及應用2．相關電路電橋電路：電橋的一臂為濕度傳感器，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號輸出。放大器：可把不平衡信號加以放大。整流器：將交流信號變成直流信號，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。注：電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。2/3/2023傳感器原理及應用表9.3濕敏傳感器的應用范圍和使用溫度、濕度范圍四、濕度傳感器的典型應用2/3/2023傳感器原理及應用1