第9章气湿敏传感器

1、第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 概述概述 气敏传感器：检测气体浓度和成分，主要气敏传感器：检测气体浓度和成分，主要 用于环境保护和安全监督等方面。用于环境保护和安全监督等方面。 湿敏传感器：检测湿度情况，广泛应用于湿敏传感器：检测湿度情况，广泛应用于 工业、农业、国防、科技和生活等各个领工业、农业、国防、科技和生活等各个领 域。域。 第九章第九章 气、湿

2、敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 分类：分类： 通常以气敏特性来分类，主要可分为：通常以气敏特性来分类，主要可分为： 半导体型气敏传感器，半导体型气敏传感器， 电化学型气敏传感器，电化学型气敏传感器， 固体电解质气敏传感器，固体电解质气敏传感器， 接触燃烧式气敏传感器，接触燃烧式气敏传感器， 光化学型气敏传感器，光化学型气敏传感器， 高分子气敏传感器等。高分子气敏传感器等。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 一、半

3、导体气敏传感器一、半导体气敏传感器 元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物，元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物， 作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反 应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特 性或表面电位变化。借此来检测特定气体的成分性或表面电位变化。借此来检测特定气体的成分 或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出。或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出。 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（应用范围：可用于检测气体中的特定成分（COCO、 COCO2 2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）。、甲醛、酒

4、精、氧气、氢气等）。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 应用场合：应用场合： 一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检 测和报警。测和报警。 基本要求：基本要求： 1 1、对被测气体有高的灵敏度。、对被测气体有高的灵敏度。 2 2、气体选择性好。、气体选择性好。 3 3、能够长期稳定工作。、能够长期稳定工作。 4 4、响应速度快。、响应速度快。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 分类：分类： 按照

5、与气体的相互作用是局限于半导体内部还按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还 是涉及到外部分为表面控制型和体控制型；是涉及到外部分为表面控制型和体控制型； 按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电 阻式。阻式。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 表表9.1 半导体气体传感器的分类半导体气体传感器的分类 主要物理特性主要物理特性传感器举例传感器举例工作温度工作温度 典型被测气典型被测气 体体 电电 阻阻 式式 电电 阻阻 表面控制型表面控制型 氧化银、氧化锌氧化银、氧化锌室温

6、室温-450-450 可燃性气体可燃性气体 体控制型体控制型氧化钛、氧化氧化钛、氧化 钴、氧化镁、钴、氧化镁、 氧化锡氧化锡 700700以以 上上 酒精、酒精、 氧气、氧气、 可燃性可燃性 气体气体 非非 电电 阻阻 式式 表面电位表面电位氧化银氧化银室温室温硫醇硫醇 二极管整流特性二极管整流特性铂铂/ /硫化镉、硫化镉、 铂铂/ /氧化钛氧化钛 室温室温-200-200 氢气、氢气、 一氧化一氧化 碳、酒碳、酒 精精 晶体管特性晶体管特性铂栅铂栅MOSMOS场效场效 应晶体管应晶体管 150150氢气、氢气、 硫化氢硫化氢 表面控制型表面控制型 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器

7、2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 电阻式半导体气敏传感器：电阻式半导体气敏传感器： 其电阻随着气体含量不同而变化其电阻随着气体含量不同而变化; ; 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器，主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是一种用金属氧化物薄膜（例如是一种用金属氧化物薄膜（例如SnOSnO2 2、ZnOZnO、FeFe2 2O O3 3、 TiOTiO2 2等）制成的阻抗器件。等）制成的阻抗器件。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 二、表面控制型电阻式半导体气敏传感器

8、二、表面控制型电阻式半导体气敏传感器 当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. . 1 1、结构与分类、结构与分类 由气敏元件、加热器、封装部分组成；由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。按加热方式分为内热式和旁热式。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 图图9.1 某气敏传感器的整体结构某气敏传感器的整体结构 双层金属网罩 气敏元件 电极引线 外套 封装基痤 端子 第

9、九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 （1 1） 烧结型烧结型 将元件的电极和加热器将元件的电极和加热器 均埋在金属氧化物气敏材均埋在金属氧化物气敏材 料中料中, , 经加热成型后低温经加热成型后低温 烧结而成。烧结而成。 烧结型烧结型 输出极输出极加热电极加热电极 金属氧化物金属氧化物 目前最常用的是氧化锡（目前最常用的是氧化锡（SnOSnO2 2）烧结型气敏元件）烧结型气敏元件, , 它的加热温度较低它的加热温度较低, , 一般在一般在200200300, SnO300, SnO2 2气敏气敏 半导体对许多可燃性气

10、体半导体对许多可燃性气体, , 如氢、一氧化碳、甲烷、如氢、一氧化碳、甲烷、 丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 （2 2）薄膜型）薄膜型 在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜 制成（厚度制成（厚度0.1m0.1m以下）。上下为输出电极和加以下）。上下为输出电极和加 热电极，中间为加热器。热电极，中间为加热器。 薄膜型薄膜型 输出极输出极 加热器加热器 金属氧化物金属氧化物 加热电极加热电极 第九章第九章 气、湿敏传感

11、器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 （3 3）厚膜型）厚膜型 将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆 料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。 灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜 气敏元件较好。气敏元件较好。 厚膜型厚膜型 氧化铝基片氧化铝基片 半导体氧化物半导体氧化物PtPt电极电极 加热器加热器 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿

12、敏传感器章气湿敏传感器 内热式气敏器件结构内热式气敏器件结构 （4 4）内热式）内热式 加热丝和测量丝都直接埋加热丝和测量丝都直接埋 在基体材料内；在基体材料内； 制造工艺简单、成本低、功制造工艺简单、成本低、功 耗小、可以在高电压回路下使耗小、可以在高电压回路下使 用；用； 热容量小，易受环境气流的热容量小，易受环境气流的 影响，测量回路与加热回路之影响，测量回路与加热回路之 间没有隔离，相互影响。间没有隔离，相互影响。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 旁热式气敏器件结构旁热式气敏器件结构 （5 5）旁热式）

13、旁热式 管芯增加了陶瓷管，管内管芯增加了陶瓷管，管内 放加热丝，管外涂梳状金电极放加热丝，管外涂梳状金电极 做测量极，在金电极外涂做测量极，在金电极外涂SnOSnO2 2 等气敏材料；等气敏材料； 测量极与加热丝分离，加热测量极与加热丝分离，加热 丝不与气敏材料接触，避免了丝不与气敏材料接触，避免了 测量回路与加热回路之间的相测量回路与加热回路之间的相 互影响，热容量大，不易受环互影响，热容量大，不易受环 境气流的影响。境气流的影响。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 注：加热器的作用注：加热器的作用 （1 1）

14、使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。 （2 2）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵 敏度及响应速度。敏度及响应速度。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 2 2、工作原理、工作原理 元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散件表面自由扩散( (物理吸附物理吸附) )，一部分吸附分子被蒸发掉，一，一部分吸附分子被蒸发掉，一 部分吸附分子产生热分解固定在吸附处部分吸附分

15、子产生热分解固定在吸附处( (化学吸附化学吸附) )。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，电阻率减少，阻值降低阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体还原性气体( (例例H H2 2、COCO、炭氢化合物和酒类等、炭氢化合物和酒类等) )。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为

16、负离子吸附，半导体载流子数减少，电半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻率增大，阻值增大。阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体化性气体( (例例O O2 2、NONOx x等等) )。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 元件加热元件加热正常状态正常状态 吸附还原性气体吸附还原性气体 吸附氧化性气体吸附氧化性气体 吸附气体后吸附气体后空气中空气中 元件电阻元件电阻 100100 5050 0 0 元件阻值变化元件阻值变化 时间时间 第九章第

17、九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 当当吸附还原性气体吸附还原性气体时，时，N N型半导体的功函数大于吸附型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值阻值 降低降低。 当当吸附氧化性气体吸附氧化性气体时，时，N N型半导体的功函数小于吸附分型半导体的功函数小于吸附分 子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子

18、成为负离 子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大阻值增大. . 对于对于P P型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使 其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 注：注： (1) (1) 检测不同气体，加热温度及添加物质不同，检测不同气体，加热温度及添加物质不同， 目的是使传感器对不同气体有选择性。目的是使传感器对不同气体有选择性。 第九章第九章 气、湿敏传感

19、器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 图中图中EHEH为加热电源为加热电源, EC, EC为测为测 量电源量电源, , 电阻中气敏电阻值电阻中气敏电阻值 的变化引起电路中电流的变的变化引起电路中电流的变 化化, , 输出电压（信号电压）输出电压（信号电压） 由电阻由电阻R Ro o上取出。上取出。 特别在低特别在低 浓度下灵敏度高浓度下灵敏度高, , 而高浓度而高浓度 下趋于稳定值。下趋于稳定值。 因此因此, , 常用常用 来检查可燃性气体泄漏并报来检查可燃性气体泄漏并报 警等。警等。 气敏元件的基本测量电路气敏元件的基本测量电路 三、气敏元

20、件的基本测量电路三、气敏元件的基本测量电路 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 1 1、电源电路、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高一般气敏元件的工作电压不高(3V(3V10V)10V)， 其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。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。敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-2

21、4第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 2 2、辅助电路、辅助电路 在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性 ( (温度系数、湿度系数、初期稳定性等温度系数、湿度系数、初期稳定性等) )。如：。如： v 采用温度补偿电路，以减少气敏元件的温度系数引起采用温度补偿电路，以减少气敏元件的温度系数引起 的误差；的误差； v 设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅 度变化造成误报；度变化造成误报； v 使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报

22、现象。现象。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 v 下图是一温度补偿电路。当环境温度降低时，则负温度下图是一温度补偿电路。当环境温度降低时，则负温度 热敏电阻热敏电阻(R(R5 5) )的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。 BZBZ UU 气敏传感器气敏传感器 氖管氖管 蜂鸣器蜂鸣器 NTCNTC电阻电阻 WW R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 R R5 5 R R6 6 SCRSCR 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-2420

23、21-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 图为正温度系数热敏电阻图为正温度系数热敏电阻(R(R2 2) )的延时电路。的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器器，蜂鸣器(BZ)(BZ)不发出报警。当通电不发出报警。当通电1 12min2min后，阻值急剧增后，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。大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。 BZ 气敏传感器气敏传感器 PTC电阻电阻 R2 R1 R3 R4 BCR U B 蜂鸣器蜂鸣器 氖管氖管 第九章第九章 气、湿

24、敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 3、应用举例、应用举例 例例1：家用可燃性气体报警器电路：家用可燃性气体报警器电路。 220V220V BZBZ 氖管氖管 家用可燃性气体报警器电路家用可燃性气体报警器电路 气敏传感器气敏传感器 蜂鸣器蜂鸣器 B B R R 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。电流，足以推动其工作而发出报警

25、信号。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 例例2 2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 气体传感器选用二氧化锡气敏元件。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。 工作原理：工作原理： 当气体传感器探测不到酒精时当气体传感器探测不到酒精时, , 加在加在A A5 5脚的电平为低脚的电平为低 电平电平; ; 当气体传感器探测到酒精时当气体传感器探测到酒精时, ,

26、 其内阻变低其内阻变低, , 从而使从而使 A A5 5脚电平变高。脚电平变高。 A A为显示驱动器为显示驱动器, , 它共有它共有1010个输出端个输出端, , 每每 个输出端可以驱动一个发光二极管个输出端可以驱动一个发光二极管, , 显示推动器显示推动器A A根据第根据第5 5 脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数, , 酒精含量酒精含量 越高则点亮二极管的级数越大。上越高则点亮二极管的级数越大。上5 5个发光二极管为红色个发光二极管为红色, , 表示超过安全水平。下表示超过安全水平。下5 5个发光二极管为绿色个发光二极管为绿色, , 代表安全水

27、代表安全水 平平, , 酒精含量不超过酒精含量不超过0.05%0.05%。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 例例3：矿井瓦斯超限报警器：矿井瓦斯超限报警器 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 四、非电阻式半导体气体传感器四、非电阻式半导体气体传感器 包括包括MOS MOS 二极管式和结型二极管式以及场二极管式和结型二极管式以及场 效应管式（效应管式（MOSFETMOSFET）半导体气体传感器。）半导体气体传感器。 其电流或电压随着气

28、体含量而变化，主要其电流或电压随着气体含量而变化，主要 检测检测氢和硅烷气氢和硅烷气等可燃性气体。等可燃性气体。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 9.2 9.2 湿敏传感器湿敏传感器 一、湿度及其表示一、湿度及其表示 湿度是指大气中所含的水蒸汽量。湿度是指大气中所含的水蒸汽量。 （1 1）绝对湿度）绝对湿度 单位体积空间内所含有水蒸汽的质量单位体积空间内所含有水蒸汽的质量( (密度密度) )。 3 / a HKg m 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏

29、传感器章气湿敏传感器 （2 2）相对湿度）相对湿度 被测空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水被测空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水 蒸汽分压的百分比。蒸汽分压的百分比。 （3 3）露点温度）露点温度 空气压力不变，为使其所含水蒸气达到饱和状态，空气压力不变，为使其所含水蒸气达到饱和状态， 必须冷却到的温度称为露点温度。必须冷却到的温度称为露点温度。 气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和。气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和。 RH P P H N W T %100)( 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气

30、湿敏传感器 二、湿敏传感器二、湿敏传感器 利用湿敏元件的电气特性（如电阻值）随湿度的利用湿敏元件的电气特性（如电阻值）随湿度的 变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。 湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或 通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、 半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的元器半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的元器 件。件。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 1 1、氯

31、化锂湿敏传感器、氯化锂湿敏传感器 利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的 H+离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变 化的传感器。化的传感器。 结构：结构： 在条状绝缘基片（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀在条状绝缘基片（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀 法或化学沉积法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂法或化学沉积法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂 聚乙烯醇混合溶液，经老化处理而制成。聚乙烯醇混合溶液，经老化处理而制成。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-2

32、42021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 工作原理：工作原理： 在在氯化锂溶液中，氯化锂溶液中，LiLi和和ClCl均以正负离子的形式存在，而均以正负离子的形式存在，而 LiLi+ +离子对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的 离子导电能力与浓度成正比。离子导电能力与浓度成正比。 当溶液置于一定温湿场中当溶液置于一定温湿场中, , 若环境若环境相对湿度高相对湿度高, , 溶液将溶液将 吸收水分吸收水分，使浓度

33、降低，使浓度降低, , 因此因此, , 其溶液电阻率增高，其溶液电阻率增高，阻值阻值 升高升高。 反之反之, , 环境环境相对湿度变低相对湿度变低时时, , 则溶液浓度升高则溶液浓度升高, , 其电阻其电阻 率下降率下降, , 阻值下降阻值下降。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 玻璃带上浸渍玻璃带上浸渍LiClLiCl的湿敏元件的电阻的湿敏元件的电阻- -相对湿度特性相对湿度特性 : : 406080 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 相对湿度 / % 电阻值的对数 / 吸附 脱附 15

34、lg107 由图可看出，在由图可看出，在5080相相 对湿度范围内，电阻与湿度的变对湿度范围内，电阻与湿度的变 化成线性关系。化成线性关系。 可将氯化锂含量不同的多个器可将氯化锂含量不同的多个器 件组合使用，扩大湿度测量的线件组合使用，扩大湿度测量的线 性范围。如浸渍性范围。如浸渍11.5%浓度浓度 的器件可检测的器件可检测(2050)RH范范 围内的湿度围内的湿度, 而浸渍而浸渍0.5%浓度的浓度的 器件可检测器件可检测(4080)RH范围范围 内的湿度内的湿度, 两者配合使用可检测两者配合使用可检测 (2080)RH范围内的湿度。范围内的湿度。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器

35、2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 氯化锂湿敏元件的优缺点：氯化锂湿敏元件的优缺点： 优点：优点：滞后小滞后小, , 不受测试环境风速影响不受测试环境风速影响, , 检测精度高达检测精度高达 %, %, 缺点：缺点：耐热性差耐热性差, , 不能用于露点以下测量不能用于露点以下测量, , 器件性能的器件性能的 重复性不理想重复性不理想, , 使用寿命短。使用寿命短。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 2 2、半导体陶瓷湿敏电阻、半导体陶瓷湿敏电阻 结构：通常是用两种以上的金属氧化

36、物半导体材料混合结构：通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合 烧结而成的多孔陶瓷。烧结而成的多孔陶瓷。 分类：分类： (1)(1)、按照电阻率与湿度的关系、按照电阻率与湿度的关系 u负特性湿敏半导体陶瓷：负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而下降，电阻率随湿度增加而下降， 如如ZnO-LiOZnO-LiO2 2-V-V2 2O O5 5系、系、Si-NaSi-Na2 2O-VO-V2 2O O5 5系、系、TiOTiO2 2-MgO-Cr-MgO-Cr2 2O O3 3系系 等。等。 u正特性湿敏半导体陶瓷：正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增大而增大，电阻率随湿度增大而增大， 如如Fe

37、Fe3 3O O4 4等。等。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 (2) (2) 根据水分子在半导瓷表面的作用根据水分子在半导瓷表面的作用 分为离子型和电子型分为离子型和电子型 离子型：由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水在微孔离子型：由绝缘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，在潮湿气氛中出现中的物理吸附作用，在潮湿气氛中出现H H+ +离子，使元件的离子，使元件的 电导率变化。目前已有两种处于实用阶段，一种是以电导率变化。目前已有两种处于实用阶段，一种是以- FeFe2 2O O3 3及及K K

38、2 2COCO3 3为主要成分为主要成分, ,另一种以另一种以ZnOZnO、V V2 2O O5 5、LiLi2 2O O为主要为主要 成分。成分。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 以以-Fe2O3及及K2CO3为主要成分的陶瓷湿敏传感器的电阻为主要成分的陶瓷湿敏传感器的电阻 与湿度的关系与湿度的关系 ： 环境温度 / 020406080100 102 103 104 105 106 107 0 20 50 80 100 相对湿度 / % 电阻 / 108 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-

39、4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 电子型：利用水分子在氧化物表面上的化学吸附导致元电子型：利用水分子在氧化物表面上的化学吸附导致元 件电导率变化。元件的电导率是增加还是减小，决定于氧件电导率变化。元件的电导率是增加还是减小，决定于氧 化物半导体是化物半导体是N N型或型或P P型。型。 如氧化锆如氧化锆- -氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一 种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器, ,它是它是 一种多孔质一种多孔质N N型半导体材料。型半导体材料。 第九章第九章 气、湿

40、敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 氧化锆氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构：氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构： 端子 Al2O3陶瓷 网罩 电热元件 ZrO2-MgO系陶瓷 湿敏元件的四周装有电热元湿敏元件的四周装有电热元 件件,能将陶瓷加热到能将陶瓷加热到300700 的工作温度的工作温度,使传感器在高温下使传感器在高温下 检测水蒸气检测水蒸气,并且能烧掉粘附在并且能烧掉粘附在 元件表面上的污物。元件表面上的污物。 该类传感器已应用于食品加该类传感器已应用于食品加 工、空气调节器和干燥器等设备工、空气调节器和干燥器等设备 中。中。 第九

41、章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 负特性湿敏半导瓷的导电机理：负特性湿敏半导瓷的导电机理： 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场由于水分子中的氢原子具有很强的正电场, , 当水当水 在半导瓷表面吸附时在半导瓷表面吸附时, , 就有可能从半导瓷表面俘获就有可能从半导瓷表面俘获 电子电子, , 使半导瓷表面带负电。使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是型半导体如果该半导瓷是型半导体, , 则由于水分子吸附则由于水分子吸附 使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面， 其表面层的电

42、阻下降；其表面层的电阻下降； 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 若该半导瓷为型若该半导瓷为型, , 则由于水分子的附着使表面电势则由于水分子的附着使表面电势 下降，如果表面电势下降较多下降，如果表面电势下降较多, , 不仅使表面层的电子耗不仅使表面层的电子耗 尽尽, , 同时吸引更多的空穴达到表面层同时吸引更多的空穴达到表面层, , 有可能使到达表有可能使到达表 面层的空穴浓度大于电子浓度面层的空穴浓度大于电子浓度, , 出现所谓表面反型层出现所谓表面反型层, , 这些空穴称为反型载流子，它们同样可以在表面迁移而

43、这些空穴称为反型载流子，它们同样可以在表面迁移而 表现出电导特性，使表面电阻下降。表现出电导特性，使表面电阻下降。 由此可见由此可见, , 不论是型还是型半导瓷不论是型还是型半导瓷, , 其电阻率都其电阻率都 随湿度的增加而下降。随湿度的增加而下降。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 1：ZnOLiO2V2O5系系 2：SiNa2OV2O5系系 3：TiO2MgOCr2O3系系 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 MgCr2O4-Ti

44、O2湿敏元件湿敏元件 负特性半导瓷；负特性半导瓷； MgCr2O4为为P型半导型半导 体；电阻率低，电阻体；电阻率低，电阻 温度特性好；温度特性好； 陶瓷片的两面涂覆有陶瓷片的两面涂覆有 多孔金电极，金电极与多孔金电极，金电极与 引出线烧结在一起；引出线烧结在一起； 陶瓷片外设置加热线陶瓷片外设置加热线 圈，对器件进行加热清圈，对器件进行加热清 洗。洗。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 传感器的电阻值即受传感器的电阻值即受 湿度影响，又受温度影湿度影响，又受温度影 响。响。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏

45、传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 ZnO-Cr2O3湿敏元件湿敏元件 结构：将多孔材料的金电结构：将多孔材料的金电 极烧结在多孔陶瓷圆片的两极烧结在多孔陶瓷圆片的两 表面上，并焊上铂引线，然表面上，并焊上铂引线，然 后将敏感元件装入有网眼过后将敏感元件装入有网眼过 滤的方形塑料盒中，用树脂滤的方形塑料盒中，用树脂 固定。固定。 特点：能连续稳定地测量特点：能连续稳定地测量 湿度，无需加热除污装置，湿度，无需加热除污装置， 功耗低，体积小，成本低。功耗低，体积小，成本低。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-2

46、4第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理: : 当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时, , 导致导致 其表面层电子浓度下降其表面层电子浓度下降, , 但还不足以使表面层的空穴浓但还不足以使表面层的空穴浓 度增加到出现反型程度度增加到出现反型程度, , 此时仍以电子导电为主。此时仍以电子导电为主。 于是于是, , 表面电阻将由于电子浓度下降而加大表面电阻将由于电子浓度下降而加大, , 这类半这类半 导瓷材料的导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大表面电阻将随湿度的增加而加大。 通常湿敏半导瓷材料都是多孔

47、的通常湿敏半导瓷材料都是多孔的, , 表面电导占的比例表面电导占的比例 很大很大, , 故表面层电阻的升高故表面层电阻的升高, , 必将引起总电阻值的明显必将引起总电阻值的明显 升高。由于晶体内部低阻支路仍然存在升高。由于晶体内部低阻支路仍然存在, , 正特性半导瓷正特性半导瓷 的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明 显。显。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 FeFe3 3O O4 4正特性半导瓷湿敏元件：正特性半导瓷湿敏元件： 结构：由基片、电极和感结

48、构：由基片、电极和感 湿膜组成，在基片上制作一对湿膜组成，在基片上制作一对 梭状金电极，将梭状金电极，将FeFe3 3O O4 4胶体液胶体液 涂覆在金电极的表面。涂覆在金电极的表面。 工作过程：当空气湿度大工作过程：当空气湿度大 时，时，FeFe3 3O O4 4吸湿，元件阻值增吸湿，元件阻值增 大；当空气湿度小时，大；当空气湿度小时，FeFe3 3O O4 4 脱湿，元件阻值减小。脱湿，元件阻值减小。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 FeFe3 3O O4 4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线：正特性

49、半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线： 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 陶瓷湿敏传感器的优点：陶瓷湿敏传感器的优点： 湿度滞后小湿度滞后小, 响应响应 速度不超过速度不超过1015 s, 便于批量生产。便于批量生产。 陶瓷湿敏传感器的缺点：其长期可靠性较陶瓷湿敏传感器的缺点：其长期可靠性较 差差, 易受环境温度影响。易受环境温度影响。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 3 3、电容湿敏传感器、电容湿敏传感器 电容式湿敏传感器是利用湿

50、敏元件的电容值随湿度变化电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化 的原理进行湿度测量的传感器。的原理进行湿度测量的传感器。 薄片状电容式湿敏传感元件：湿敏元件是一种吸湿性电薄片状电容式湿敏传感元件：湿敏元件是一种吸湿性电 介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸 湿性电介质材料（感湿材料）主要有高分子聚合物（例湿性电介质材料（感湿材料）主要有高分子聚合物（例 如乙酸如乙酸-丁酸纤维素和乙酸丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素）和金属氧化物丙酸纤维素）和金属氧化物 （例如多孔氧化铝）等。（例如多孔氧化铝）等。 特点：测全湿范围的湿度特点：测

51、全湿范围的湿度, 且线性好且线性好, 重复性好重复性好, 滞后小滞后小, 响应快响应快, 尺寸小尺寸小, 能在能在-1070 的环境温度中使用。的环境温度中使用。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构 上电极 下电极 吸湿性 高分子聚合膜 衬底 (1) 高分子聚合膜电容式湿敏元件高分子聚合膜电容式湿敏元件 在玻璃衬底或聚酰亚胺在玻璃衬底或聚酰亚胺 薄膜软衬底上蒸镀一层薄膜软衬底上蒸镀一层 叉指形金电极（下电叉指形金电极（下电 极）极）,在其表面

52、上均匀涂在其表面上均匀涂 覆（或浸渍）一层感湿覆（或浸渍）一层感湿 膜（醋酸纤维膜）膜（醋酸纤维膜）,在感在感 湿膜的表面上再蒸镀一湿膜的表面上再蒸镀一 层多孔性金薄膜（上电层多孔性金薄膜（上电 极）。极）。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 电容值与相对湿度的关系电容值与相对湿度的关系 020406080100 相对湿度 / % C / pF 吸湿 脱湿 0 20 40 60 80 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 响应特性响应特

53、性 30 40 50 60 70 80 90 相对湿度从30%上升到93% 相对湿度从93%降到30% 01020304050 时间 / s 电容值 / pF 特点：特点： 由于电容器的由于电容器的 上电极是多孔的上电极是多孔的 透明金薄膜，水透明金薄膜，水 分子能顺利地穿分子能顺利地穿 透薄膜，且感湿透薄膜，且感湿 膜只有一层呈微膜只有一层呈微 孔结构的薄膜，孔结构的薄膜， 因此吸湿和脱湿因此吸湿和脱湿 容易，因此响应容易，因此响应 速度快。速度快。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 一种氧化铝薄膜电容式湿敏元

54、件的结构一种氧化铝薄膜电容式湿敏元件的结构 上电极 氧化铝 薄膜 下电极 衬底 (2)、氧化铝薄膜电容式湿敏元件、氧化铝薄膜电容式湿敏元件 结构特点：其感湿结构特点：其感湿 膜为一层多孔氧化铝膜为一层多孔氧化铝 薄膜薄膜, 衬底为硼硅玻衬底为硼硅玻 璃或蓝宝石璃或蓝宝石, 上金膜上金膜 电极和两个下金或铂电极和两个下金或铂 电极形成两个串联电电极形成两个串联电 容器。容器。 原理：当空气中的原理：当空气中的 相对湿度变化时相对湿度变化时, 吸吸 附在氧化铝薄膜上的附在氧化铝薄膜上的 水分子质量变化水分子质量变化, 引引 起电容值变化。起电容值变化。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器

55、2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 三、湿度传感器的工作电路三、湿度传感器的工作电路 振荡器振荡器电电 桥桥放大器放大器桥式整流桥式整流电表指示电表指示 直流电源直流电源9V9V 湿度湿度 传感器传感器 电桥测湿电路框图电桥测湿电路框图 对电路提对电路提 供交流电供交流电 源源 电桥的一臂为湿度传感器，由于湿电桥的一臂为湿度传感器，由于湿 度变化使湿度传感器的阻值发生变度变化使湿度传感器的阻值发生变 化，于是电桥失去平衡，产生信号化，于是电桥失去平衡，产生信号 输出。输出。 将交流信号变将交流信号变 成直流信号成直流信号 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏

56、传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传感器 1 1、电源选择、电源选择 一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否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。一般使用振荡器对电路提供则性能会劣化甚至失效。一般使用振荡器对电路提供 交流电源。交流电源。 原因分析：电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，原因分析：电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的， 在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电在直流电源作用下，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。离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。 第九章第九章 气、湿敏传感器气、湿敏传感器 2021-4-242021-4-24第第9章气湿敏传感器章气湿敏传