传感技术第九章气、湿敏传感器

1、第九章,气、湿敏传感器,第一节,半导体气敏传感器,第二节,湿敏传感器,第三节,气、湿敏传感器应用举例,第一节,半导体气敏传感器,半导体气敏传感器,是利用半导体气敏元件同气体,接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气,体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。,早在,20,世纪,30,年代就已经发现氧化亚铜的导电率,随水蒸气的吸附而发生改变。其后又发现许多其,它金属氧化物也都具有气敏效应。这些金属氧化,物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材,料，因此称之谓半导体陶瓷，简称半导瓷。由于,半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低,廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价,值的敏感元件。,半导体

2、气敏传感器的分类,主要物理特性,传感器举例,氧化银、氧化锌,工作温度,典型被测气体,电,阻,式,电,阻,表面控制型,体控制型,室温450,700以上,可燃性气体,酒精、氧气、,可燃性气体,氧化钛、氧化,钴、氧化镁、,氧化锡,非,电,阻,式,表面电位,二极管整流特性,氧化银,铂,/,硫化镉、,铂,/,氧化钛,铂栅,MOS,场效,应晶体管,室温,室温200,硫醇,氢气、一氧,化碳、酒精,氢气、硫化,氢,晶体管特性,150,一、气敏半导体材料的导电机理,以半导瓷材料,SnO,2,为例说明气敏半导体,材料的导电机理。,SnO2,是,N,型半导体，其导,电机理可以用吸附效应来解释。,半导瓷气敏电阻的阻值

3、将随吸附气体的数量和,种类而改变。这类半导瓷气敏电阻工作时都需加,热。器件在加热到稳定状态的情况下，当有气体,吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散。其间,一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附处。,此时如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和,力，则吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子,吸附；如果材料功函数大于吸附分子的离解能，,吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。,O,2,和,NOx,（氮类氧化物）倾向于负离子吸附，称为,氧,化型气体,。,H,2,、,CO,、碳氢化合物和酒类倾向于正离,子吸附，称为,还原型气体,。,氧化型气体吸附到,N,型半导体上，将使载流子,减少，从而使材料的电阻率增

4、大。还原型气体吸,附到,N,型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率,下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情况,得知吸附气体的种类和浓度。,氧化型气体吸附到,P,型半导体上，将使载流子,增多，从而使材料的电阻率下降。还原型气体吸,附到,P,型半导体上，将使载流子减少，材料电阻率,增大。也可根据这一特性，从阻值变化的情况得,知吸附气体的种类和浓度。,电阻,/k,100,氧化型,加热,稳定状态,50,还原型,0,N,型半导体吸附气体时阻值变化图,二、电阻型气敏传感器的结构,电阻型气敏器件在目前使用的比较广泛。按其,结构，可分为烧结型，薄膜型和厚膜型三种，,烧结,型应用最广泛性。,1,、,烧结型,烧

5、结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材,料,(SnO2,、,InO),及掺杂剂,(Pt,、,Pb),等以水或粘合剂,调和，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混,合的膏状物滴入模具内，用传统的制陶方法进行,烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，最后将加,热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳构成器,件。这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构,。,内热式（直热式）器件管芯体积一般都很小，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，该,结构制造工艺简单。其缺点是：热容量小，易受环境,气流的影响；测量电路和加热电路之间相互影响；,加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与,材料接触不良的现

6、象。,加热极,SnO,2,烧结体,3,4,1,2,1,3,4,2,(a),结构,(b),符号,内热式气敏器件结构及符号,加热器,电极,1,6,4,2,5,SnO,2,烧结体,瓷绝缘管,（,b,）符号,（,a,）结构,旁热式气敏器件结构及符号,3,旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加,热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂,气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器,件的缺点，使器件稳定性有明显提高。,2,、薄膜型,薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片,(,玻璃,石英式陶瓷,),；焊接电极，之后采用蒸发或溅,射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体,薄膜。实验测得,SnO,2,和,ZnO

7、,薄膜的气敏特性较,好。,薄膜型器件外形结构如图,9-2,所示。这种器件,具有较高的机械强度，产量高、成本低等优点。,3,、厚膜型,为解决器件一致性问题，,1977,年发展了厚膜型,器件。它是有,SnO,2,和,ZnO,等材料与,3,15,(,重量,),的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶,用丝网印制到事先安装有铂电极的,Al,2,O,3,基片上，,以,400,800烧结,1,小时制成。其结构如图,9-2,所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械,强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。,以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，,加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧,掉，同时加

8、速气体的吸附，从而提高了器件的灵,敏度和响应速度，一般加热到,200-,400，具体,温度视所掺杂质不同而异。,这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，,使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在,低浓度,(3000mg/kg),下，灵敏度也很高。其缺点,在于：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。,三、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,(,10,3,10,5,),范围。,测定固有电阻值,时,要求必须在洁净空气环,境中进

9、行。由于经济地理环境的差异，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。,（,3,）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

10、体中的响应时间，通常用,符号,t,r,表示。,（,4,）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,R,H,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,(0.5,2.0),W,范围。,（,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,63,时所需时间。,四、非电阻型气敏器件,1,

11、、二极管气敏传感器,如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，,而这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有,影响的话，则其整流特性就会发生变化。在硫化镉上，,薄薄地蒸发一层钯薄膜，就形成了钯硫化镉二极管气,敏传感器，这种传感器可用来检测氢气。氢气对这种,二极管整流特性的影响如下,:,在氢气浓度急剧增高的,同时，正向偏置条件下的电流也急剧增大。所以在一,定的偏置下，通过测量电流值就能知道氢气的浓度。,电流值之所以增大，是因为吸附在钯表面的氧气由于,氢气浓度的增高而解吸，从而使肖特基势垒降低的缘,故。,2,、,MOS,二极管气敏器件,金属,-,氧化物,-,半导体,(MOS),二极管的结构和等效

12、电路如图,9-8,所示。它是利用,MOS,二极管的电容,-,电压特性的变化制成的,MOS,半导体气敏器件。在,P,型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生,长一层厚度为,50,100nm,左右的,SiO,2,层，然后再在其上蒸发一,层钯金属薄膜，作为栅电极。,SiO,2,层电容,C,ax,是固定不变的，,Si-SiO,2,界面电容,C,x,是外加,电压的函数。所以总电容,C,是栅极偏压的函数。其函数,关系称为该,MOS,管的,C-U(,电容,-,电压,),特性。由于钯在吸附,H,2,以后，会使钯的功函数降低。,这将引起,MOS,管的,C-U,特性向负,偏压方向平移，如图,9-8,所示。,9,由此可测

13、定,H2,的浓度。,3,、,Pd-MOSFET,气敏器件,这种器件是利用,MOS,场效应晶体管,(MOSFET),的阈值电压,的变化做成的半导体气敏器件。,Pd-MOSFET,与普通,MOSFET,的主要区别在于用,Pd,薄膜取代,Al,膜作为栅极。因,为钯对,H,2,吸附能力强，而,H,2,在钯上的吸附将导致钯的功函,数降低。阈电压,U,T,的大小与金属和半导体之间的功函数差,有关。,Pd-MOSFET,气敏器件正是利用,H,2,在钯栅上吸附后,引起阈电压,U,T,下降这一特性来检测,H,2,浓度的。,由于目前大多数气敏器件的选择性并不理想，而钯膜只,对,H2,敏感，所以,Pd-MOSFET

14、,对氢有独特的高选择性。由于,这类器件的性能尚不太稳定，作为定量检测氢气浓度还,存在一些问题。,第二节,湿敏传感器,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

15、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。,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,m,M,100,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,v,V,100,这两种方法统称为水蒸气百分含量法。,2

16、,、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,(,p,s,),。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,p,RH,?,?,100,%,p,s,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,AH,?,V,m,待测空气中水蒸气质量；,V,待测空气的总体积；,AH,待测空气的绝对湿度。,二、湿度传感器的主要参数,1,、湿度量程,指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度,范围用相对湿度,(0,100),RH,表

17、示，它是湿度传感器,工作性能的一项重要指标。,2,、感湿特征量,相对湿度特性,每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，,通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范,围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性,曲线，简称,阻湿特性,。有的湿度传感器的电阻值随湿度,的增加而增大，这种为,正特性湿敏电阻器,，如,Fe,3,O,4,湿,敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为,负,特性湿敏电阻器,，如,TiO,2,SnO,2,陶瓷湿敏电阻器。对,于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于,和测量系统或控制仪表相连接。,3,、感湿灵敏度,简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是

18、在某一相,对湿度范围内，相对湿度改变,1,RH,时，湿度传,感器电参量的变化值或百分率。,各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各,不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它,们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿,型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻,值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，,所以灵敏度的大小要适当。,4,、响应时间,在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度,传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要,的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度,变化区间的,63,作为相对湿度变化所需要的时间，,也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生,变化时，其反应速度的快

19、慢。单位是,s,。也有规定,从起始到终止,90,的相对湿度变化作为响应时间的。,响应时间又分为,吸湿响应时间,和,脱湿响应时间,。大,多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时,间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时,间。,5,、电压特性,当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能,用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子,的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压,采用交流电压。,Lg,R,/,右图表示湿度传感器的电阻,20,100Hz,与外加交流电压之间的关系。,8,11%,RH,可见，测试电压小于,5V,时，,7,33%,RH,电压对阻,湿特性没有影,6,响。但

20、交流电压大于,15V,时，,75%,RH,由于产生焦耳热，对湿度传,5,100%,RH,感器的阻,湿特性产生了,4,5,0,1,2,3,4,较大影响，因而一般湿度传,U,/V,感的使用电压都小于,10V,。,6,、频率特性,湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。,在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随,着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种,湿度下，当测试频率小于,10,3,Hz,时，阻值不随使用频率,3,而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为,10,Hz,。湿,度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起,水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。,Lg,

21、R,/,8,7,6,5,4,0,1,20,5V,11%,RH,33%,RH,75%,RH,100%,RH,5,4,Lg,f,/,Hz,电阻频率特性,2,3,三、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,B,A,氯化锂湿度传感器的结构,A,涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒,B,钯丝,氯化锂是典型的离子晶体。其湿敏机理可如下解释：高浓,度的氯化锂

22、溶液中，,Li,和,Cl,仍以正、负离子形式存在；而,溶液中的离子导电能力与溶液的浓度有关。实践证明，溶,液的当量电导随着溶液的增加而下降。当溶液置于一定温,度的环境中时、若环境的相对湿度高，溶液将因吸收水份,而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则溶液的浓度就,高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改,变而变化，从而实现了湿度的测量。,R,/10,8,10,10,PV,AC,0.25%,L,i,Cl,0.5%,L,i,Cl,1.0,%,L,i,Cl,2.2%L,i,Cl,R,/10,8,1,0.1,0.01,0,1,0.1,0.01,0,30,60,90,相对湿度,/%,30,60,

23、90,相对湿度,/%,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,20,90,RH,的湿度传感,器,氯化锂湿度传感器的阻,湿特性,组合式氯化锂的阻,湿特性,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800，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,MgCr,2,O,4,TiO,2,系。,此,外,，,还,有,TiO,2,-V,2,O,5,系,、,ZnO,Li,

24、2,O,V,2,O,5,系,、,ZnCr,2,O,4,系、,ZrO,2,MgO,系、,Fe,3,O,4,系、,Ta,2,O,5,系等。这,类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除,Fe,3,O,4,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,MgCr,2,O,4,-TiO,2,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,TiO,2,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,容易吸附水分。材料的主晶相是,MgCr,2,O,4,相,此外,还有,Ti

25、O,2,相,等,感湿体是一个多晶多,相的混合物。,氧化钌电极,加热器,感湿陶瓷,护圈电极,基板,电极引线,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,MgCr,2,O,4,TiO,2,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,100,RH,时，阻值从,10,7,下降到,10,4,，即变化了三个数量级。,10,8,10,7,10,6,10,5,R,/,10,4,10,3,20,40,60,80,100,相对湿度,/%,（,2,）电阻温度特性,是在不

26、同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻,湿度特性。从图可见，从,20,到,80,各条曲线的变化规,律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为,0.38,RH,。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度,传感器进行温度补偿。,10,8,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,20,40,R,/,20,4,0,60,8,0,60,80,100,相对湿度,/%,M,g,C,r2,O,4,-T,i,O,2,系湿度传感器的电阻,温度特性,（,3,）响应时间,响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中,可知，响应时间小于,10s,。,%RH,100,80,60,40,20,94%RH,50%R

27、H,1%RH,50%RH,0,10,20,30,t,/s,M,g,C,r2,O,4,-T,i,O,2,系湿度传感器的时间响应特性,（,4,）稳定性,制成的,MgCr,2,O,4,-TiO,2,系陶瓷类湿度传感器，需要,实验：,高温负荷实验,(,大气中，温度,150,，交流电,压,5V,，时间,10,4,h),；,高温高湿负荷试验,(,湿度大于,95,RH,，温度,60,，交流电压,5V,，时间,10,4,h),；,常温,常,湿,试,验,湿,度,(10,90),RH,，,温,度,(,10,40,),；,油气循环试验,(,油蒸气,?,加热清洗循环,25,万,次，交流电压,5V),。经过以上各种试验

28、，大多数陶,瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。,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；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。,高分子薄膜,上部电极,下部电极,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，

29、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。,C/pF,350,（,f,=1.5MH,Z,）,300,250,200,0,50,相对湿度,/%,1

30、00,电容,湿度特性,（,2,）响应特性,由于高分子薄膜可以做得极薄，所以吸湿响应时间都很,短，一般都小于,5s,，有的响应时间仅为,1s,。,（,3,）电容一温度特性,电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常,小，在,5,50,范围内,电容温度系数约为,0.06,R,H,/,（二）电阻式高分子膜湿度传感器,1,、结构,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。,引线端,感湿膜,梳状电极,基片,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构,2,、主要特性,（,1,）电阻湿度特性,当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的,感湿特性曲线，如图。在整个湿度范围内，传感器均有,感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在

31、单对数坐标纸上,近似为一直线。吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为,(3,4),R,H,。,R,/,10M,1M,100K,10K,1K,30,吸湿,3%R,H,脱湿,40,50,60,70,80,90,相对湿度,/%,电阻,湿度特性,（,2,）温度特性,聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有,负温度系数。在,(,0,55,)时，温度系数为,(,0.6,1,.,0,),RH,/。,R,/,10,4,25,10,3,40,10,2,10,0,20,40,60,相对湿度,/%,50,80,100,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性,（,3,）其它特性,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的升湿响应时间

32、比较,快，降湿响应时间比较慢，响应时间在一分钟之内。,湿滞比较小，在,(1,2,)RH,之间。这种湿度传感,器具有良好的稳定性。存储一年后，其最大变化不,超过,2,RH,，完全可以满足器件稳定性的要求。,高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机,溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能,用于,80,以上的高温。,第三节,气、湿敏传感器应用举例,一、气体传感器的应用,分为检测、报警、监控等几种类型。,1,、电源电路,一般气敏元件的工作电压不高,(,3V,10V,),，其工作,电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导,致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂,移，影响检测准确性

33、。,2,、辅助电路,由于气敏元件自身的特性,(,温度系数、湿度系数、,初期稳定性等,),，在设计、制作应用电路时，应予以考,虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引,起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件,阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，,防止加热器失效导致漏报现象。下图是一温度补偿电路,BZ,蜂鸣器,R,3,SCR,R,2,R,1,R,6,氖管,气敏传感器,R,4,W,R,5,NTC,电阻,U,当环境温度降低时，,则负温度热敏电阻,(R,5,),的阻值增大，,使相应的输出电压,得到补偿。,右图为正温度系数热敏,电阻,(R,2,),的延时电路。,刚通电时，其电

34、阻值也,小，电流大部分经热敏,电阻回到变压器，蜂鸣,器,(,BZ,),不发出报警。,当通电,1,2min,后，阻,值急剧增大，通过蜂鸣,器的电流增大，电路进,入正常的工作状态。,PTC,电阻,氖管,B,R,2,R,3,BCR,U,气敏传感器,R,1,BZ,蜂鸣器,R,4,3,、检测工作电路,这是气敏元件应用电路的主体部分。,下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性,气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流,入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。,B,R,220V,气敏传感器,BZ,氖管,蜂鸣器,家用可燃性气体报警器电路,下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。,在此电路

35、中，,BG,1,、,BG,2,的参数应力求一致，最好,选用差分对管。采用这种差分电路，检测气体的灵敏,度可达,100,10,6,。,W,11,K,1,3V,R,Q,R,2,A,R,3,W,21,R,4,W,31,BG,2,W,41,R,5,6V,K,2,BG,1,R,1,差分式可燃性气体检测仪电路,下图是家用煤气,(CO),安全报警电路。,一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警,报；另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生,空气负离子，使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离,(O,3,),反应，生成对人体无害的二氧化碳。,BG,1,4,8,K,B,D,W,R,1,1,D,2,

36、R,1,R,6,R,1,8,2,R,3,7,IC,3,2,220V,BG,2,A,R,Q,R,7,6,2,1,LED,C,2,B,5,D,7,C,C,4,3,4,C,1,R,4,W,IC,2,1,2,D,D,w,R,5,8,3,13,J,1,D,5,C,5,3CTS3,R,R,B,D,7,R,J,10,11,MT,2,9,1,MT,BG,3,C,6,C,2,R,7,13,R,12,煤气安全报警器原理图,子中的臭氧,二、湿度传感器的测量电路,（一）检测电路的选择,1,、电源选择,一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性,能会劣化甚至失效。,电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在,直

37、流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产,生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作,用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜,不会被破坏。,交流电源的频率选择是，在不产生正、负离子定向,积累情况下尽可能低一些。在高频情况下，测试引线的,容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高,频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵,敏度和准确性。,2,温度补偿,湿度传感器具有正或负的温度系数，其温度系数大小不,一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。,对于半导体陶瓷传感器，其电阻与温度的的关系一,般为指数函数关系，通常其温度关系属于,NTC,型，即,H,：相对湿度；,T,：绝对温度；,?,B,?,R,?,R,0,ex,p,?,?,AH,?,R,0,：在,T=0,相对湿度,H,=0,时的阻值；,?,T,?,A,：湿度常数；,B,