《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件第10章 化學(xué)傳感器

第10章化學(xué)傳感器本章內(nèi)容

10.1氣敏傳感器

10.2濕敏傳感器

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解氣敏電阻的分類、典型應(yīng)用。了解濕敏電阻的分類、典型應(yīng)用。

10.1氣敏傳感器

10.1.1分類、原理

用來檢測氣體類別、濃度和成分。主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測、預(yù)報和自動控制。按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。

1.半導(dǎo)體氣敏傳感器

按其制造工藝來分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型3類。燒結(jié)型氣敏器件以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700℃～900℃的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷。

（a）（b）圖10-1直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號（a）結(jié)構(gòu)；（b）符號1—SnO2燒結(jié)體；2—Ir-Pd合金絲（加熱器兼電極）

（a）（b）圖10-2旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號（a）結(jié)構(gòu)；（b）符號1—加熱器；2—電極；3—SnO2燒結(jié)體；4—瓷絕緣管

薄膜型器件它采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜（其厚度約在100nm以下）制作方法也很簡單。厚膜型器件這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的，適合大批量生產(chǎn)。

圖10-3薄膜型氣敏器件的結(jié)構(gòu) 圖10-4厚膜型氣敏器件的結(jié)構(gòu)

1—氧化物半導(dǎo)體；2—電極； 1—電極；2—氧化物半導(dǎo)體；

3—引線；4—基片；5—加熱器 3—基片；4—加熱器（印刷厚膜電阻）

這些器件全部附有加熱器，它的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附。加熱器的溫度一般控制在200～400℃左右。

2．接觸燃燒式氣體傳感器1）接觸燃燒式氣體傳感器檢測原理當(dāng)可燃性氣體如H2、CO、CH4等與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生無焰接觸燃燒熱，使得傳感器中的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值（ΔR），就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。

2）接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)圖2-18為接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖，用高純的鉑絲，繞制成線圈，為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚担?

～2

），一般應(yīng)繞10圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層，干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球，放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中，充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚?，使在氧化鋁（氧化鋁一氧化硅）載體上形成貴金屬觸媒層，最后組裝成氣體敏感元件。除此之外，也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀，涂覆在鉑絲繞成的線圈上，直接燒成后備用。（a）（b）圖10-5接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖（a）元件的內(nèi)部示意圖；（b）敏感元件外形圖1—觸媒；2—氧化鋁載體；3—鉑絲；4—元件3）氧化鋯氧氣傳感器在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后，其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15%mol左右時，離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。

10.1.2氣敏傳感器的主要要求選配氣敏傳感器時主要考慮氣敏傳感器的主要性能：對被測氣體具有較高的靈敏度。對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。動態(tài)特性好，對檢測信號響應(yīng)迅速。使用壽命長。制造成本低，使用與維護(hù)方便等。

10.1.3氣敏傳感器應(yīng)用

1．礦井瓦斯超限報警器

1）電路組成及作用

QM-N5為旁熱式氣敏傳感器，它和R1、RP組成瓦斯氣體檢測電路；晶體管VS作為無觸點電子開關(guān)。

LC179型三模擬聲報警專用集成電路，它采用雙列8腳直插塑料硬封裝，內(nèi)部集成了功率放大器，可直接驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，可產(chǎn)生3種不同的模擬報警聲響，LC179的第1、2腳為外接振蕩電阻器端，可改變發(fā)聲音調(diào)；第3腳為負(fù)電源端；第4腳為音頻輸出端；第5腳為正電源端；第6、7腳為空腳端；第8腳為選聲端，當(dāng)它“懸空”時，可產(chǎn)生模擬警車電笛聲；當(dāng)它接電源正端時，可產(chǎn)生模擬消防車電笛聲；當(dāng)它接電源負(fù)端時，可產(chǎn)生模擬救護(hù)車電笛聲。LC179的主要電參數(shù)：工作電壓范圍3V～4.5V，工作電流＜150μA，最大輸出電流可達(dá)150mA，工作溫度范圍－10℃～60℃。

圖10-6礦井瓦斯超限報警器

2）工作原理當(dāng)無瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r，QM-N5的A-B極間電阻很大，電位器RP滑動觸點電壓小于0.7V，VS不被觸發(fā)，警笛聲電路無電源不發(fā)聲；當(dāng)瓦斯氣體超過安全標(biāo)準(zhǔn)時，A-B極間電阻迅速減小，當(dāng)RP滑動觸點電壓大于0.7V，VS被觸發(fā)導(dǎo)通，警笛電路得電，發(fā)出報警聲。

2．有害氣體報警電路電路中晶體管VT采用U850，它是一種高增益的達(dá)林頓晶體管。在純潔的空氣中，氣敏傳感器的A-B間內(nèi)阻較大，此時B點為低電位，VT不導(dǎo)通，因此，KD9561無工作電流而不報警。

當(dāng)傳感器接觸到有害可燃?xì)怏w后，A-B間電阻變小，B點電位升高并向C2充電，當(dāng)充電電位達(dá)到U850導(dǎo)通電位（約1.4V），VT導(dǎo)通，驅(qū)動報警器KD9561報警。一旦有害氣體濃度降低，使B電位低于1.4V時，VT截止，報警解除。若將本電路的負(fù)載改為繼電器，如圖2-20（b）所示，即可成為自動排氣控制裝置。

圖10-7有害氣體報警電路

3．實用酒精測試儀圖2-21所示為實用酒精測試儀的電路。該測試儀只要被試者向傳感器吹一口氣，便可顯示出醉酒的程度，確定被試者是否適宜駕駛車輛。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當(dāng)氣體傳感器探測不到酒精時，加在A的第5腳電平為低電平；當(dāng)氣體傳感器探測到酒精時，其內(nèi)阻變低，從而使A的第5腳電平變高。

A為顯示推動器，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。上面5個發(fā)光二極管為紅色，表示超過安全水平，酒精含量不超過0.05%。

圖10-8酒精測試儀電路

4．防酒后駕車控制器

圖中QM-J1為旁熱式氣敏傳感器元件，若司機(jī)沒有喝酒，或酒精濃度較低時，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時氣敏器件間電阻很高，Ua為高電平，則U1為低電平，555定時器截止，U3為高電平，K2線圈失電，其常閉觸點K2-2閉合，綠燈VD1亮，常閉觸點K2-1閉合，發(fā)動機(jī)點火啟動。

圖10-9防止酒后駕車控制器原理圖

若司機(jī)酗酒，氣敏器件阻值急劇下降，使Ua為低電平，則U1為高電平，555定時器導(dǎo)通，U3為低電平，繼電器K2帶電吸合，K2-2常閉觸點斷開，常開觸點閉合，紅燈VD2亮，以示警告，常閉觸點K2-1斷開，發(fā)動機(jī)無法啟動。若司機(jī)拔出器敏器件，則繼電器K1失電，其常開觸點K1-1斷開，仍然無法啟動發(fā)動機(jī)。常閉觸點K1-2的作用是長期加熱氣敏器件，保證控制器處于準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。10.2

濕敏傳感器

濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號AH表示。相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。濕度的檢測已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、生活等各個領(lǐng)域，濕度不僅與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，而且是環(huán)境條件的重要指標(biāo)。

濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號的器件。濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封。通常，對濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應(yīng)時間短，壽命長，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的發(fā)展方向。

10.2.1氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。

在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場中，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档停虼?，其溶液電阻率增高。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，從而實現(xiàn)對濕度的測量。但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短。

圖10-10濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 圖10-11氯化鋰濕度—電阻特性曲線

1—引線；2—基片；3—感濕層；4—金電極

10.2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。這些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前3種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。

1．負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是P型半導(dǎo)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(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。

若該半導(dǎo)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(dá)到表面層，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(dǎo)特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。由此可見，不論是N型還是P型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。

2．正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這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(dǎo)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(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導(dǎo)瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多，那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。

圖10-12幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特牲 圖10-13Fe3O4半導(dǎo)瓷的正濕敏特牲

1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2O-V2O5；

3—TiO2-MgO-Cr2O3

3．典型半導(dǎo)瓷濕敏元件1）MgCr2O4—TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物—二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特牲半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為P型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，兩面涂覆有多孔金電極。

金電極與引出線燒結(jié)在起，為了減少測量誤差、在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑—銥合金。

圖10-14MgCr2O4—TiO2陶瓷濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 圖10-15MgCr2O4—TiO2陶瓷濕度傳感器

1—加熱線圈；2—濕敏陶瓷片；3—電極； 相對濕度與電阻的關(guān)系

4—引線圈電極；5—底板；6—引線

2）ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏元件

ZnO—Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)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。

ZnO—Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，而無須加熱除污裝置，因此功耗低于0.5W，體積小，成本低，是一種常用測濕傳感器。

圖10-16ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu) 圖10-17Fe3O4濕敏元件構(gòu)造

1—外殼；2—燒結(jié)元件；3—電極；1—滑石板；2—金電極；

4—樹脂固封；5—引線；6—濾網(wǎng) 3—Fe3O4膠粒；4—引線

（3）四氧化三鐵（Fe3O4）濕敏器件四氧化三鐵濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成。基片上制作一對梭狀金電極，然后將預(yù)先配制好的Fe3O4膠體液涂覆在梭狀金電極的表面，進(jìn)行熱處理和老化。

Fe3O4膠體之間的接觸呈凹狀，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，當(dāng)空氣相對濕度增大時，F(xiàn)e3O4膠膜吸濕，由于水分子的附著，降低粒間的電阻和增加更多的導(dǎo)流通路，所以元件阻值減小。當(dāng)處于干燥環(huán)境中，膠膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。當(dāng)環(huán)境溫度不同時，涂覆膜上所吸附的水分也隨之變化，使梭狀金電極之間的電阻產(chǎn)生變化。

Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，測濕范圍廣，有較為一致的濕敏特性和較好的溫度—濕度特性，但器件有較明顯的濕滯現(xiàn)象，響應(yīng)時間長，吸濕過程（60%RH98%RH）需要2min，脫濕過程（98%RH12%RH）需5～7min。

10.2.3濕敏傳感器的應(yīng)用1．直讀式濕度計其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz。電橋輸出經(jīng)變壓器T2、C3耦合到VT3、經(jīng)VT3放大后的信號，由VD1～VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。

圖10-18直讀式濕度計電路圖

2．自動噴灌控制器電路工作原理

電源電路由電源變壓器T、整流橋UR、隔離二極管VD2、穩(wěn)壓二極管VS和濾波電容器C1、C2等組成。交流220V電壓經(jīng)T降壓、UR整流后，在濾波電容器C2兩端產(chǎn)生直流6V電壓。該電壓一路供給微型水泵的直流電動機(jī)（采用交流電動機(jī)的大、中型水泵使用交流220V電源供電，見圖中虛線所示）；另一路經(jīng)VD2降壓、VS穩(wěn)壓和C1濾波后，產(chǎn)生+5.6V電壓，供給VT1～VT3和繼電器K。

圖10-19自動噴灌控制電路

濕度傳感器插在土壤中，對土壤濕度進(jìn)行檢測。當(dāng)土壤濕度較高時，濕度傳感器兩電極之間的電阻值較小，使VT1、VT2導(dǎo)通，VT3截止，繼電器K不吸合，水泵電動機(jī)M不工作。當(dāng)土壤濕度變小，使?jié)穸葌鞲衅鲀呻姌O之間的電阻值增大至一定值時，VT1和VT2將截止，使VT3導(dǎo)通，繼電器K吸合，其常開觸頭K接通，使水泵電動機(jī)M通電，噴水設(shè)施開始工作。

當(dāng)土壤中的水分增加到一定程度，濕度傳感器兩電極間的電阻值減小至一定值時，VT1和VT2又導(dǎo)通，使VT3截止，繼電器K釋放，水泵電動機(jī)M停轉(zhuǎn)。當(dāng)土壤水分減少至一定程度時，將重復(fù)進(jìn)行上述過程，從而使土壤保持較恒定的濕度。

3．磚坯水分檢測器電路工作原理組成：濕度檢測探頭、穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源、比較器、開關(guān)電路和聲光報警電路組成。穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源電路由電阻器R1和集成穩(wěn)壓器IC1組成，IC1選用TL431集成穩(wěn)壓器。比較器電路由集成電路IC2和電阻器R2、R3、電位器RP1、RP2等組成，IC2選用LM393集成電路。

開關(guān)電路由開關(guān)管VT1、二極管VD1、VD2和電阻器R4等組成。聲光報警電路由發(fā)光二極管VL1、VL2、電阻器R6、R7、音樂集成電路IC3、音頻放大管VT2和揚聲器BL等組成。IC3選用KD9561或LC179音效集成電路。

工作原理:

將濕度檢測探頭插入磚坯中，兩支檢測探頭之間的電阻值將隨著磚坯含水量的高低而變化。當(dāng)磚坯的含水量在工藝允許范圍內(nèi)，IC2a和IC2b均輸出高電平，使VD1、VD2和VT1均截止，揚聲器BL不響，發(fā)光二極管VL1和VL2均不亮。

當(dāng)磚坯水分含量低于工藝允許值的下限時，兩檢測探頭之間的阻值較正常時偏大，使IC2a反相輸入端的電位增高，其輸出端變?yōu)榈碗娖?，使VD1和VTl均導(dǎo)通，綠色發(fā)光二極管VL1點亮，同時IC3和V2工作，揚聲器BL發(fā)出報警聲，提醒檢驗員磚坯的濕度不夠。

當(dāng)磚坯水分含量高于工藝上限時，兩檢測探頭之間的阻值較正常時偏小，使IC2b的同相輸入端電位變低，其輸出端變?yōu)榈碗娖?，使VD2和VT1均導(dǎo)通，紅色發(fā)光二極管VL2點亮，IC3和VT2工作，揚聲器BL發(fā)出報警聲，提醒檢驗員磚坯的含水量過高。

圖10-20磚坯水分檢測器電路

4．汽車擋風(fēng)玻璃自動去濕電路

圖中RS為嵌入玻璃的加熱電阻絲，H為結(jié)露感濕器件；晶體管VT1和VT2接成施密持觸發(fā)電路，VT2的集電極負(fù)載為繼電器K的線圈繞組。

VT1基極電阻為R1，R2和濕敏器件H的等效電阻RP并聯(lián)。使在常溫、常濕下VT1導(dǎo)通，VT2截止。一旦由于陰雨使?jié)穸仍龃螅瑵衩羝骷﨟的等效電阻RP值下降到某一特定值，R2與RP并聯(lián)的電阻值減小，VT1截止，VT2導(dǎo)