第9章 化学物质传感器

1、学习目的 掌握气敏传感器、湿度传感器的工作原理。掌握气敏传感器、湿度传感器的工作原理。 掌握电阻型气敏传感器、非电阻型气敏传感掌握电阻型气敏传感器、非电阻型气敏传感 器的工作原理。器的工作原理。 熟悉气敏传感器的应用。熟悉气敏传感器的应用。 掌握电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器掌握电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器 的工作原理。的工作原理。 熟悉湿度传感器的应用。熟悉湿度传感器的应用。 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.2 9.2 湿度传感器湿度传感器 本章小结本章小结 复习思考题复习思考题主要内容返回主目录 人类的日常生活和生产活动与周围环境空气紧密相关。空人类的日常生活和生产活动

2、与周围环境空气紧密相关。空气的变化对人类有极大的影响。例如，空气中气的变化对人类有极大的影响。例如，空气中缺氧缺氧或存在或存在有毒有毒气体气体会使人感到会使人感到窒息甚至昏迷致死窒息甚至昏迷致死。可燃性气体的。可燃性气体的泄漏会引起泄漏会引起爆炸和火灾爆炸和火灾，使人们的生命和财产遭受巨大的损失。因而我们，使人们的生命和财产遭受巨大的损失。因而我们需要使用大量的气敏传感器来检测气体的成分。需要使用大量的气敏传感器来检测气体的成分。 气敏传感器气敏传感器就是就是能感知环境中某种能感知环境中某种气体及其浓度气体及其浓度的一种器的一种器件件。 它将气体它将气体种类种类及其与及其与浓度浓度有关的信息有

3、关的信息转换成电信号转换成电信号，根据，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器燃气报警器烟雾报警器酒精传感器 气敏传感器的种类很多，分类标准不一，根据传感器的气敏传感器的种类很多，分类标准不一，根据传感器的气敏气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和

4、效应不同主要分为：主要分为：9.1.1 气敏传感器的分类半导体式半导体式固体电解质式固体电解质式电化学式电化学式接触燃烧式接触燃烧式其他类型其他类型光学式气敏传感器光学式气敏传感器石英振子式气敏传感器石英振子式气敏传感器表面声波气敏传感器表面声波气敏传感器电阻型电阻型非电阻型非电阻型 固体电解质固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生电极上发生化学反应化学反应，所生成的，所生成的离子离子通过通过固体电解固体电解质质传递到电极，使电极间产生的传递到电极，使电极间产生的电位随气体分压电位随气体分压而而变化的原理来对气体进行检测。变化的原理来对气体进行检测。

5、电化学式电化学式气敏传感器是利用气敏传感器是利用电极和电解质电极和电解质组成的组成的电池电池中，气体与电极进行中，气体与电极进行氧化还原反应氧化还原反应，从而使两极间输出，从而使两极间输出的的电流或电压电流或电压随随气体浓度气体浓度而变化的原理制作的。而变化的原理制作的。半导体半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；下面重点介绍半导体气敏传感器及其泛；下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。气敏元件。电阻型半导体电阻型半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感气敏传感器是目前广泛应用的气敏

6、传感器之一。器之一。9.1.2 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体电阻型半导体气敏传感器是利用气体在气敏传感器是利用气体在金属氧化物半导体表面金属氧化物半导体表面的的氧化和还原反应氧化和还原反应，导致，导致敏感元件阻值变化敏感元件阻值变化的原理来制作的。的原理来制作的。 如氧气等如氧气等氧化型气体氧化型气体 电子接收性气体电子接收性气体（具有负离子吸附倾向的气体）（具有负离子吸附倾向的气体）吸附到吸附到N N型半导体上，型半导体上， 半导体的载流子减少，半导体的载流子减少， 电阻率上升；电阻率上升；吸附到吸附到P P型半导体上，型半导体上， 半导体的载流子增多，半导体的载流子增多， 电阻率下降

7、；电阻率下降；图图9-1 N9-1 N型半导体与气体型半导体与气体接触时的氧化还原反应接触时的氧化还原反应 如氢、碳氧化合物、醇等如氢、碳氧化合物、醇等还原型气体还原型气体电子供给电子供给性气体（具有正离子吸附倾向的气体）性气体（具有正离子吸附倾向的气体）吸附到吸附到N N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；下降；吸附到吸附到P P型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升。上升。图图9-1 N9-1 N型半导体与气体接触时型半导体与气体接触时的氧化还原反应的氧化还原反应 气敏电阻的材料是气敏电阻的材料是金属氧

8、化物金属氧化物，合成时加敏感材料和，合成时加敏感材料和催化剂烧结，金属氧化物有：催化剂烧结，金属氧化物有：N N型半导体和型半导体和P P型半导体。型半导体。223,SnO Fe O ZnO TiO223,CoO PbO MnO CrOP型半导体如： 这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后则显示出气敏特性。后则显示出气敏特性。N型半导体如：通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（导体（N N型半导体）材料的型半导体）材料的电子吸附负电荷电子吸附负电荷，结果半导体材料，结果半导体

9、材料的的传导电子减少传导电子减少，电阻增加电阻增加，使器件处于高阻状态；，使器件处于高阻状态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的束缚的电子释放出来电子释放出来，敏感膜表面电导增加使元件，敏感膜表面电导增加使元件电阻减小电阻减小。导电机理用一句话描述：导电机理用一句话描述：半导体表面因吸附气体引起半导体元件电半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。变化测出气体的种类和浓度。2SnO,A gA uP b2322,Al O SiO ZrO2

10、SnO 是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料的是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料的典型代表，这类半导体传感器的使用温度较高，大约典型代表，这类半导体传感器的使用温度较高，大约200200500500。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通常向母料中添加一些贵金属（如常向母料中添加一些贵金属（如等），激活剂及粘接剂等），激活剂及粘接剂 等。等。目前常见的目前常见的更具有潜力更具有潜力 系列气敏元件有系列气敏元件有烧结型烧结型薄膜型薄膜型厚膜型厚膜型应用最多应用最多1烧结型 气敏元件2SnO烧结型烧结型 气敏元件是目前工艺最成熟的气敏元

11、件，气敏元件是目前工艺最成熟的气敏元件， 其敏感体是用粒径很小的其敏感体是用粒径很小的 粉体为基本材料，与粉体为基本材料，与不同的不同的添加剂添加剂混合均匀，采用典型的混合均匀，采用典型的陶瓷工艺陶瓷工艺制备，制备，工艺简单，成本低廉。主要用于检测可燃的还原性工艺简单，成本低廉。主要用于检测可燃的还原性气体，敏感元件的工作温度约气体，敏感元件的工作温度约300。2SnO2SnO按照其加热按照其加热方式，分为方式，分为2SnO直热式直热式旁热式旁热式 直热式直热式 气敏元件，又称为气敏元件，又称为内热式内热式器件。由芯片器件。由芯片( (包包括敏感体和加热器括敏感体和加热器) )、基座和金属防爆

12、网罩三部分组成。芯、基座和金属防爆网罩三部分组成。芯片结构的特点是在以为主要成分的片结构的特点是在以为主要成分的烧结体烧结体中埋设两根作为电中埋设两根作为电极并兼作加热器的螺旋形极并兼作加热器的螺旋形铂铱合金线铂铱合金线。 优点是结构简单，成本低廉，但其热容量小，易受环境优点是结构简单，成本低廉，但其热容量小，易受环境气流的影响，稳定性差。气流的影响，稳定性差。2SnO图图9-2 9-2 直热式气敏器件结构直热式气敏器件结构 其可靠性和使用寿命都较直其可靠性和使用寿命都较直热式气敏元件为高。目前市售热式气敏元件为高。目前市售的的SnO2 系气敏元件大多为这种系气敏元件大多为这种结构形式。结构形

13、式。 旁热式旁热式SnOSnO2 2 气敏元件严格地讲是一种厚膜型元件气敏元件严格地讲是一种厚膜型元件 。 在一根在一根薄壁陶瓷管薄壁陶瓷管的两端设置一对金电极及的两端设置一对金电极及铂一铱合金丝铂一铱合金丝引出线，然后在瓷管的外壁涂覆以引出线，然后在瓷管的外壁涂覆以SnO2为基础材料配制的为基础材料配制的浆料浆料层层，经烧结后形成，经烧结后形成厚膜气体敏感层厚膜气体敏感层。在陶瓷管内放入一根螺旋。在陶瓷管内放入一根螺旋形形高电阻金属丝高电阻金属丝作为加热器作为加热器( (加热器电阻值一般为加热器电阻值一般为303040)40)。 这种管芯的测量电极与加热器分离，避免了相互干扰，而且这种管芯的

14、测量电极与加热器分离，避免了相互干扰，而且元件的热容量较大，减少了环境温度变化对敏感元件特性的影元件的热容量较大，减少了环境温度变化对敏感元件特性的影响。响。旁热式旁热式 气敏元件气敏元件2SnO旁热式气敏元件结构旁热式气敏元件结构2厚膜型 气敏元件2SnO基片基片加热器加热器气体敏感层气体敏感层厚膜型厚膜型组成组成 厚膜型厚膜型SnOSnO2 2气敏元件是用气敏元件是用丝网印刷技术丝网印刷技术将浆料制备而成将浆料制备而成的，其机械强度和一致性都比较好，且与的，其机械强度和一致性都比较好，且与厚膜混合集成电路厚膜混合集成电路工艺工艺能较好相容，可将气敏元件与阻容元件制作在同一基片能较好相容，可

15、将气敏元件与阻容元件制作在同一基片上，利用微组装技术与半导体集成电路芯片组装在一起，构上，利用微组装技术与半导体集成电路芯片组装在一起，构成具有一定功能的器件。成具有一定功能的器件。图图9-4 9-4 厚膜型气敏元件结构示意图厚膜型气敏元件结构示意图3薄膜型 SnO2 气敏元件 由于由于烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件的工作温度约气敏元件的工作温度约300300，此温度下贵，此温度下贵金属与环境中的有害气体金属与环境中的有害气体( (如如SOSO2 2 之类之类) )作用会发生作用会发生“中毒中毒”现现象，使其活性大幅度下降，因而造成气敏元件的气敏性能下降，象，使其活性大幅度下降，因而造

16、成气敏元件的气敏性能下降，长期稳定性、气体识别能力等降低。长期稳定性、气体识别能力等降低。 薄膜型薄膜型SnOSnO2 2 气敏元件的工作温度较低气敏元件的工作温度较低( (约为约为250 )250 )，并且，并且这种元件具有很大的表面积，自身的活性较高，本身气敏性很这种元件具有很大的表面积，自身的活性较高，本身气敏性很好；催化剂好；催化剂“中毒中毒”不十分明显。不十分明显。 薄膜型薄膜型器件一般是在绝器件一般是在绝缘基板上，蒸发或溅射一层缘基板上，蒸发或溅射一层SnOSnO2 2薄膜薄膜再引出电极。并且再引出电极。并且可利用器件对不同气体的可利用器件对不同气体的敏敏感特性感特性实现对不同气体

17、的选实现对不同气体的选择性检测。择性检测。图图9-5 9-5 薄膜型气敏传感器结构薄膜型气敏传感器结构 非电阻型非电阻型气敏传感器气敏传感器主要包括：主要包括： 利用利用MOSMOS二极管二极管的电容的电容电压特性变化的电压特性变化的MOSMOS二极二极管型管型气敏传感器；气敏传感器； 利用利用MOSMOS场效应管场效应管的阈值电压变化的的阈值电压变化的MOSMOS场效应管场效应管型型气敏传感器。气敏传感器。9.1.3 非电阻型半导体气敏传感器 Pd- MOSMOS二极管二极管气敏元件是气敏元件是在在P P型硅上集成一层型硅上集成一层二氧化硅二氧化硅层，层，在氧化层蒸发一层钯（在氧化层蒸发一层

18、钯（PdPd）金属膜作）金属膜作栅电极栅电极。氧化层（。氧化层（SiOSiO2 2）的）的电容电容CaCa是固定不变的。而硅片与是固定不变的。而硅片与 SiO2 层电容层电容CsCs是外加电压的是外加电压的函函数数，所以总电容，所以总电容C C是是栅极栅极偏压的函数，偏压的函数，其函数关系称为该其函数关系称为该MOSMOS管的管的电容一电压电容一电压(CU)(CU)特性。特性。MOSMOS二极管的等效电容二极管的等效电容C C随电压随电压U U变化变化。图图9-6 PdMOS9-6 PdMOS二极管敏感元件结构和等效电路二极管敏感元件结构和等效电路 由于由于金属钯（金属钯（PdPd）对对氢气氢

19、气特别敏感。当特别敏感。当PdPd吸附氢气以吸附氢气以后，使后，使PdPd的功函数下降，且所吸附气体的的功函数下降，且所吸附气体的浓度浓度不同功函数不同功函数变化量不同，这将引起变化量不同，这将引起MOSMOS管的管的CUCU特性向左平移（向负方特性向左平移（向负方向偏移）向偏移）。由此可测定氢气的浓度。由此可测定氢气的浓度。图9-7 MOS管的CU特性9.1.4 气敏传感器的应用 各各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气体传感器及其相关电路报警都可以用相应的气体传感器及其相关电路来来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净实现，如气体

20、成分检测仪、气体报警器、空气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。等。 对于丙烷、丁烷、甲烷对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的定在其爆炸下限的110，通过调整电阻来调节。通过调整电阻来调节。1. 简易家用气体报警 一种最简单的家用气体报一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传警器电路，采用直热式气敏传感器感器TGSlO9TGSlO9，当室内可燃性气，当室内可燃性气体浓度体浓度增加增加时，气敏器件接触时，气敏器件接触到可燃性气体而到可燃性气体而电阻值降低电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，这

21、样流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器可直接驱动蜂鸣器BZBZ报警。报警。图图9-8 9-8 最简单的家用气体报警器电路最简单的家用气体报警器电路直热式气敏传感器直热式气敏传感器呼气管呼气管酒精测试仪酒精测试仪家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器汽车尾气分析汽车尾气分析9.2 9.2 湿度传感器湿度传感器 湿度的检测与控制在工业、农业、气象、医湿度的检测与控制在工业、农业、气象、医疗以及日常生活中的地位越来越重要。疗以及日常生活中的地位越来越重要。 例如例如: :许多储物仓库在湿度超过某一程度时，许多储物仓库在湿度超过某一程度时，

22、物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿度保持在中；而纺织厂要求车间的湿度保持在60607070RHRH；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。鲜等都需要对湿度进行检测和控制。/VAHmV 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点绝对湿度、相对湿度、露点等表示。等表示。待测空气中待测空气中水蒸气质量水蒸气质量待测空气的待测空气的总体积总体积9.2.1 湿度的表示方法1. 1. 绝对湿

23、度绝对湿度 所谓绝对湿度就是在一定温度和压力条件下，所谓绝对湿度就是在一定温度和压力条件下，单位单位体积空气体积空气内所内所含水蒸气含水蒸气的的质量质量，也就是指空气中水蒸，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为表示，即为绝对湿度绝对湿度（g/mg/m3 3）max(/)100%tRHP P 相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（P P）和）和同温度同温度下下饱和水蒸气饱和水蒸气的分压（的分压（P Pmaxmax）的百分比，）的百分比，即即 通常，用通常，用RHRH表示

24、相对湿度。当温度和压力变化时，表示相对湿度。当温度和压力变化时，因因饱和水蒸气饱和水蒸气变化，所以气体中的变化，所以气体中的水蒸气压水蒸气压即使相同，即使相同，其其相对湿度相对湿度也发生变化。也发生变化。 显然，显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。，故使用更广泛。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。而言。2. 相对湿度温度温度 在一定大气压下，将含水蒸气的在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却空气冷却，当降到某温，当降到

25、某温度时，空气中的度时，空气中的水蒸气达到饱和状态水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态，开始从气态变成液态而而凝结成露珠凝结成露珠，这种现象称为，这种现象称为结露结露，此时的温度称为，此时的温度称为露点或露点或露点温度露点温度。如果这一特定温度低于。如果这一特定温度低于00，水气将凝结成霜，此，水气将凝结成霜，此时称其为时称其为霜点霜点。通常对两者不予区分，统称为。通常对两者不予区分，统称为露点露点，其单位，其单位为为。 3. 露点9.2.2 湿度传感器的分类 湿敏元件湿敏元件是最简单的湿度传感器。产品的基本形式都是最简单的湿度传感器。产品的基本形式都是是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜在基片

26、上涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从，从而制成湿敏元件。而制成湿敏元件。湿敏元件根据工作方式的不同湿敏元件根据工作方式的不同电阻式电阻式电容式电容式 湿敏元件湿敏元件是指对是指对环境湿度环境湿度具有响应或转换成相应可测信号具有响应或转换成相应可测信号的元件的元件 湿度传感器湿度传感器是由是由湿敏元件及转换电路湿敏元件及转换电路组成的，具有把组成的，具有把环境湿度转换为电信号的能力。环境湿度转换为电信号的能力。 湿敏电阻湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的的特

27、点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和元件的电阻率和电阻值都发生变化，电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。利用这一特性即可测量湿度。1. 湿敏电阻 湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差的互换性差. .湿敏电阻的种类湿敏电阻的种类金属氧化物湿敏电阻金属氧化物湿敏电阻硅湿敏电阻硅湿敏电阻碳湿敏电阻碳湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻陶瓷湿敏电阻陶瓷湿敏电阻高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻2. 湿敏电容 当环境湿度发生改变时，湿敏电容当环

28、境湿度发生改变时，湿敏电容极间介质极间介质的的介电常数介电常数发生变化，使其发生变化，使其电容量电容量也发生变化，其也发生变化，其电容变化量与相对电容变化量与相对湿度成正比湿度成正比。 湿敏电容的主要湿敏电容的主要优点优点是：灵敏度高、产品互换性好、响是：灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。按照极间介质的不同，按照极间介质的不同，湿敏电容分为湿敏电容分为有机高分子有机高分子陶瓷材料陶瓷材料 除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有除

29、电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿电解质离子型湿敏元件敏元件、重量型湿敏元件重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、荡频率）、光强型湿敏元件光强型湿敏元件、声表面波湿敏声表面波湿敏元件等。元件等。 氯化锂湿敏电阻是利用物质吸收水分子而使氯化锂湿敏电阻是利用物质吸收水分子而使导电率导电率变化变化来检测湿度。来检测湿度。 在氯化锂溶液中，在氯化锂溶液中，LiLi和和ClCl以正负离子的形式存在，锂离以正负离子的形式存在，锂离子（子（Li+Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导电能

30、力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率的离子导电能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。上升。 当溶液置于一定湿度场中，当溶液置于一定湿度场中，若环境若环境RHRH上升，溶液吸收水上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率分子使浓度下降，电阻率上升，上升，反之反之RHRH下降，电阻率下降，电阻率下下降降。通过测量溶液电阻值。通过测量溶液电阻值R R实现对湿度的测量。实现对湿度的测量。 9.2.3 电阻式湿度传感器1 1氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻 在梳在梳状或柱状状或柱状电极间的电极间的电阻值的电阻值的变化反映变化反映了空气相了空气相对湿度的对湿度的变化。变化。氯化锂电阻湿度传感器分梳状

31、和柱状氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状图图9-14 9-14 氯化锂电阻湿度传感器氯化锂电阻湿度传感器 氯化锂浓度不同的单片湿度传感器，其感湿的范围也不同。氯化锂浓度不同的单片湿度传感器，其感湿的范围也不同。 浓度低的单片湿度传感器对高湿度敏感，而浓度高的单片湿浓度低的单片湿度传感器对高湿度敏感，而浓度高的单片湿度传感器对低湿度敏感。度传感器对低湿度敏感。 一般的单片湿度传感器的一般的单片湿度传感器的湿敏范围湿敏范围仅在仅在3030RHRH左右，如左右，如10103030、20204040、40407070、70709090、80809999等。每一种传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的等

32、。每一种传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。感器。 新型氯化锂湿度传感器具有长期工作稳定性好、精度高、响新型氯化锂湿度传感器具有长期工作稳定性好、精度高、响应迅速等优点，但在有结露时易失效。它适合空调系统使用。应迅速等优点，但在有结露时易失效。它适合空调系统使用。2陶瓷湿敏传感器 半导体陶瓷半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属氧湿敏电阻通常用两种以上的金属氧化物半导体在高温化物半导体在高温13001300下烧结成下烧结成多孔陶瓷多孔陶瓷。半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻

33、分为两种分为两种一种材料的一种材料的电阻率随湿度增加而电阻率随湿度增加而下降下降，称为，称为负特性负特性半导体陶瓷湿半导体陶瓷湿敏电阻（例：敏电阻（例：ZnO-LiOZnO-LiO2 2-V-V2 2O O5 5）。）。一种材料一种材料( (如如FeFe3 3O O4 4半导瓷半导瓷) )的的电电阻率随着湿度的增加而增大阻率随着湿度的增加而增大，称，称为为正特性正特性半导体陶瓷湿敏电阻。半导体陶瓷湿敏电阻。 由于水分子中的氢原子具有很强的由于水分子中的氢原子具有很强的正电场正电场，当，当水在水在半导体陶瓷表面半导体陶瓷表面附着时，就可能从半导体陶附着时，就可能从半导体陶瓷表面俘获瓷表面俘获电子

34、电子，使半导体陶瓷表面带，使半导体陶瓷表面带负电负电，相，相当于当于表面电势变负表面电势变负。 已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属氧已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属氧化物及其盐类都具有这样特性，如化物及其盐类都具有这样特性，如22 4,ZnOCuOTiO ZnCrOP型半导型半导体陶体陶瓷瓷N型半导体陶瓷型半导体陶瓷水水表面电势下降表面电势下降电阻下降电阻下降 对于对于N N半体导陶瓷，由于水分子附着同样会使表面电势下降，半体导陶瓷，由于水分子附着同样会使表面电势下降，如果表面电势下降比较多，不仅使表面的电子耗尽，同时将大量如果表面电势下降比较多，不仅使表面的电子耗尽，同时将大量的空

35、穴吸引到表面层，以至有可能达到表面层的空穴浓度高于电的空穴吸引到表面层，以至有可能达到表面层的空穴浓度高于电子浓度的程度，出现所谓表面子浓度的程度，出现所谓表面反型层反型层，这些空穴称为，这些空穴称为反型载流子反型载流子 ，它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献。这就说明水分子的它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献。这就说明水分子的附着同样可以使附着同样可以使N N型半导瓷材料型半导瓷材料的的表面电阻下降表面电阻下降。 由于水分子的吸附使表面由于水分子的吸附使表面电势下降电势下降，这类材料就是，这类材料就是负特负特性湿敏半导体陶瓷性湿敏半导体陶瓷。它的。它的阻值阻值随着随着湿度湿度的增加可以

36、下降的增加可以下降三至三至四个数量级四个数量级。 对于阻值随湿度增加而增大的这类正特性湿敏半导体陶对于阻值随湿度增加而增大的这类正特性湿敏半导体陶瓷，这类材料的结构、电子能量状态与负特性有所不同。当瓷，这类材料的结构、电子能量状态与负特性有所不同。当水分子的附着使表面电势变负时，造成表面层水分子的附着使表面电势变负时，造成表面层电子浓度的下电子浓度的下降降，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型的程度，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型的程度，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的下表面电阻将由于电子浓度的下降而增大降而增大，这类半导瓷材料的表

37、面层，这类半导瓷材料的表面层电阻将随环境湿度的增电阻将随环境湿度的增加而加大加而加大。 如果对于某一种半体陶导瓷，它的晶粒间界电阻与体内如果对于某一种半体陶导瓷，它的晶粒间界电阻与体内电阻相比并不很大，那么表面层电阻的加大对总电阻将不起电阻相比并不很大，那么表面层电阻的加大对总电阻将不起多大作用。不过，通常湿敏半导体陶瓷材料都是多大作用。不过，通常湿敏半导体陶瓷材料都是多孔型多孔型的，的，表面电阻占的比例很大表面电阻占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总，故表面层电阻的升高，必将引起总阻值的明显升高。但由于晶体内部低阻支路依然存在，所以阻值的明显升高。但由于晶体内部低阻支路依然存在，所以

38、总阻值的升高不像负特性材料中的阻值下降那么明显。总阻值的升高不像负特性材料中的阻值下降那么明显。 正特性湿敏半导体陶瓷 由金属氧化物粉末或某由金属氧化物粉末或某些金属氧化物烧结体研些金属氧化物烧结体研成的粉末，通过一定方成的粉末，通过一定方式的调合、喷洒或涂覆式的调合、喷洒或涂覆在具有叉指电极的陶瓷在具有叉指电极的陶瓷基片上而制成的。基片上而制成的。涂覆膜型的湿敏元件涂覆膜型的湿敏元件水水电阻下降电阻下降涂覆膜型的湿敏元件由于粉粒之间通常是很松散的由于粉粒之间通常是很松散的“准自由准自由”表面，这些表面都表面，这些表面都非常有利于水分子附着，特别非常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间不太紧

39、密的是粉粒与粉粒之间不太紧密的接触更有利于水分子的附着。接触更有利于水分子的附着。极性的、离解力极强的水分子极性的、离解力极强的水分子在粉粒接触处的附着将使其接在粉粒接触处的附着将使其接触程度强化，并且接触电阻显触程度强化，并且接触电阻显著降低。著降低。 因此因此环境湿度越高，水分子附着越多，接触电阻环境湿度越高，水分子附着越多，接触电阻就越低就越低。 由于接触电阻在湿敏元件中是起主导作用的，所由于接触电阻在湿敏元件中是起主导作用的，所以随着环境湿度的增加，元件的电阻下降。而且，不以随着环境湿度的增加，元件的电阻下降。而且，不论是用负特性型还是正特性型的湿敏瓷粉作为原料，论是用负特性型还是正特

40、性型的湿敏瓷粉作为原料，只要其结构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环只要其结构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境湿度的增高而显著下降。境湿度的增高而显著下降。 例如，烧结型例如，烧结型FeFe3 3O O4 4湿敏电阻具有正特性，而瓷粉湿敏电阻具有正特性，而瓷粉膜型膜型FeFe3 3O O4 4湿敏电阻具有负特性。湿敏电阻具有负特性。 在诸多的在诸多的金属氧化物金属氧化物陶瓷材料陶瓷材料中，由铬酸镁中，由铬酸镁二氧化钛固溶体组成的多二氧化钛固溶体组成的多孔性孔性半导体陶瓷半导体陶瓷是性能较是性能较好的湿敏材料，它的表面好的湿敏材料，它的表面电阻率能在很宽的范围内电阻率能在很宽的范围内随着

41、湿度的变化而变化，随着湿度的变化而变化，而且能在高温条件下进行而且能在高温条件下进行反复的热清洗，性能仍保反复的热清洗，性能仍保持不变。持不变。 图图9-15 9-15 陶瓷湿敏元件结构陶瓷湿敏元件结构242TiOOMgCr 陶瓷湿敏传感器具有较好的热稳定性，较强陶瓷湿敏传感器具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据等优点；准确的湿度数据等优点； 另外测湿范围宽，基本上可以实现全湿范围另外测湿范围宽，基本上可以实现全湿范围内的湿度测量；内的湿度测量； 工作温度高，常温湿敏传感器的工作温度在工作温度高，常温湿敏传感

42、器的工作温度在150150以下，而高温湿敏传感器的工作温度可达以下，而高温湿敏传感器的工作温度可达800800； 响应时间短，精度高，工艺简单，成本低等。响应时间短，精度高，工艺简单，成本低等。所以在实用中占有很重要的位置所以在实用中占有很重要的位置。 高分子电阻式湿度传感器使用高分子电阻式湿度传感器使用高分子固体电解质材料制作高分子固体电解质材料制作感湿膜感湿膜，由于膜中的可动离子而产生导电性，随着湿度的增加，由于膜中的可动离子而产生导电性，随着湿度的增加，其电离作用增强，使可动离子的浓度增大，电极间的电阻值减其电离作用增强，使可动离子的浓度增大，电极间的电阻值减小。反之，电阻值增大。小。反

43、之，电阻值增大。因此，湿度传感器对水分子的吸附和因此，湿度传感器对水分子的吸附和释放情况，可通过电极间电阻值的变化检测出来，从而得到相释放情况，可通过电极间电阻值的变化检测出来，从而得到相应的湿度值。应的湿度值。3高分子电阻式湿度传感器 由于它们的检测范围不同，因而在实用上各自有着不同由于它们的检测范围不同，因而在实用上各自有着不同的用途。下面以高分子结构效应型湿度传感器为例讲述其工作的用途。下面以高分子结构效应型湿度传感器为例讲述其工作原理。原理。 高分子电阻式湿度传高分子电阻式湿度传感器可以分为两类感器可以分为两类一类是高分子结构效应型湿度传感器一类是高分子结构效应型湿度传感器另一类是高分

44、子尺寸效应型湿度传感器另一类是高分子尺寸效应型湿度传感器高分子结构效应高分子结构效应型湿度传感器型湿度传感器水水电阻下降电阻下降通常是将含有强极性基的高分子电解通常是将含有强极性基的高分子电解质及其盐质及其盐 、 、- -NHNH2 2等高分子材料制成感湿电阻式膜。等高分子材料制成感湿电阻式膜。水吸附水吸附在强极性基高分子上，随着湿在强极性基高分子上，随着湿度的增大吸附量增加，吸附水之间凝度的增大吸附量增加，吸附水之间凝聚化呈液态水状态。聚化呈液态水状态。测定这种湿度传感器电阻值时，在测定这种湿度传感器电阻值时，在低湿吸附量少低湿吸附量少的情况下，由的情况下，由于没有电荷离子产生，于没有电荷离

45、子产生，电阻值很高电阻值很高。当相对湿度增加时，凝聚。当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子及水和氢离载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子及水和氢离子也起电荷载流子作用，这就使传感器的电阻急剧下降。子也起电荷载流子作用，这就使传感器的电阻急剧下降。4NHCl3SO H 利用高分子电解利用高分子电解质在不同湿度条件下质在不同湿度条件下电离产生的导电离子电离产生的导电离子数量不等使阻值变化，数量不等使阻值变化，就可测定环境中的湿就可测定环境中的湿度。度。高分子结构效应型湿度传感器