第9章 化学物质传感器机工社版

1、第 9 章化学物质传感器2022-6-21第 9 章化学物质传感器2022-6-22学习目的 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 器的工作原理。 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 的工作原理。 熟悉湿度传感器的应用。第 9 章化学物质传感器2022-6-23 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第 9 章化学物质传感器2022-6-24人类的日常生活和生产活动与周围环境气氛紧密相关。气氛的变化对人类的日常生活和生产活动与周围环

2、境气氛紧密相关。气氛的变化对人类有极大的影响。例如，气氛中人类有极大的影响。例如，气氛中缺氧或有毒气体缺氧或有毒气体会使人感到会使人感到窒息甚至窒息甚至昏迷致死昏迷致死。可燃性气体的。可燃性气体的泄漏会引起爆炸和火灾泄漏会引起爆炸和火灾，使人们的生命和财产，使人们的生命和财产遭受巨大的损失。在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种遭受巨大的损失。在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也在不断增加，特别是石油、化工、煤矿及汽车等工业的飞速类和数量也在不断增加，特别是石油、化工、煤矿及汽车等工业的飞速发展以及火灾事故的不断发生，大气日益污染。因而我们需要使用大量发展以及火灾事

3、故的不断发生，大气日益污染。因而我们需要使用大量的气敏传感器来检测气体的成分。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件的一种器件，它将气，它将气体体种类种类及其与及其与浓度浓度有关的信息有关的信息转换成电信号转换成电信号，根据这些电信号的强弱就，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关的信息，从而可以进行检测、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；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和

4、报警系统。系统。9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器第 9 章化学物质传感器2022-6-25燃气报警器烟雾报警器第 9 章化学物质传感器2022-6-26酒精传感器第 9 章化学物质传感器2022-6-27 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，根据传感器的气敏材料以及气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敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要分为：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

5、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第 9 章化学物质传感器2022-6-28 固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生上发生化学反应化学反应，所生成的离子通过固体电解质传，所生成的离子通过固体电解质传递到电极，使电极间产生的电位随气体分压而变化递到电极，使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测。的原理来对气体进行检测。 电化学式气敏传感器是利用电化学式气敏传感器是利用电极和电解质电极和电解质组成的电池组成的电池中，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

6、两极间输，从而使两极间输出的出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。第 9 章化学物质传感器2022-6-29半导体气敏传感器具有灵敏度高、响半导体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，应快、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应用极其广泛；下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。气敏传感器及其气敏元件。电阻型电阻型半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一。器之一。第 9 章化学物质传感器2022-6-2109.1.2 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感

7、器是利用气体在金属氧化物半导体表面的氧电阻型半导体气敏传感器是利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化的原理来制作的。化和还原反应，导致敏感元件阻值变化的原理来制作的。 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，半导体的载流子减少，型半导体上，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，半导体的载流子增多，型半导体上，半导体的载流子增多， 电阻率下降；电阻率下降；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

8、子供电子供给性气体（具有正离子吸附倾向的气体）给性气体（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，型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；电阻率下降；吸附到吸附到P P型半导体上，半导体的载流子减少，型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升。电阻率上升。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第 9 章化学物质传感器2022-6-211 气敏电阻的材料是气敏电阻的材料是金属氧化物金属氧化物，合成时加敏感材料和催，合成时加敏感材料和催化剂烧结，金属氧化物有：化剂烧结，金属氧化物有：N N型半导体和型半导体

9、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，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。制成半导体后则显示出气敏特性。N型半导体如：第 9 章化学物质传感器2022-6-212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（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，结果半导体材料的，结果半导体材料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

10、态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的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。第 9 章化学物质传感器2022-6-2132SnO,Ag Au Pb2322,Al O SiO ZrO2SnO 是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料

11、的典型代表，这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，大约类半导体传感器的使用温度较高，大约200200500500。为了进一步提高。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第 9 章化学物质传感器2022-6-2141烧结型 气敏元件2SnO烧结型 气敏元件是目前工艺最成熟的气敏元件， 其敏

12、感体是用粒径很小的 粉体为基本材料，与不同的添加剂混合均匀，采用典型的陶瓷工艺制备，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300。2SnO2SnO按照其加热方式，分为2SnO直热式直热式旁热式旁热式第 9 章化学物质传感器2022-6-215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( (包括包括敏感体和加热器敏感体和加热器) )、基座和金属防爆网罩三部分组成。芯片、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烧结体中埋设两根作为电结构的特点是在以为主要成分的烧结体中埋设两根作为电极并兼作加热器的螺旋形铂

13、铱合金线，其结构如极并兼作加热器的螺旋形铂铱合金线，其结构如9-29-2图所图所示。优点是结构简单，成本低廉，但其热容量小，易受环示。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。境气流的影响，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第 9 章化学物质传感器2022-6-216其可靠性和使用寿命都较直热式气敏其可靠性和使用寿命都较直热式气敏元件为高。目前市售的元件为高。目前市售的 系气敏系气敏元件大多为这种结构形式。元件大多为这种结构形式。旁热式旁热式 气敏元件严格地讲是一种厚膜型元件，其结构如气敏元件严格地讲是一种厚膜型元件，其结构如

14、9-39-3图所示。图所示。在一根薄壁陶瓷管的两端设置一对金电极及在一根薄壁陶瓷管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，然后在瓷引出线，然后在瓷管的外壁涂覆以管的外壁涂覆以 为基础材料配制的浆料层，经烧结后形成厚膜气体为基础材料配制的浆料层，经烧结后形成厚膜气体敏感层。在陶瓷管内放入一根螺旋形高电阻金属丝作为加热器敏感层。在陶瓷管内放入一根螺旋形高电阻金属丝作为加热器( (加热器电阻加热器电阻值一般为值一般为303040)40)。这种管芯的测量电极与加热器分离，避免了相互干扰，。这种管芯的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

15、性的影响。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响。2SnO2SnO2SnO旁热式旁热式 气敏元件气敏元件2SnO图图9-3 9-3 旁热式气敏元件结构旁热式气敏元件结构第 9 章化学物质传感器2022-6-2172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，且与厚膜混合集成的，其机械强度和一致性都比较好，且与厚膜混合集成电路工艺能较好相容，可将气敏元件与阻容元件制作在电路工艺能较好相容，可将气敏元

16、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，构成具有一定功能的器件。装在一起，构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第 9 章化学物质传感器2022-6-2183薄膜型 SnO2 气敏元件 由于烧结型由于烧结型SnO2SnO2气敏元件的工作温度约气敏元件的工作温度约300300，此温度下贵金属与环境中，此温度下贵金属与环境中的有害气体的有害气体( (如如SO2SO2 之类之类) )作用会发生作用会发生“中毒中毒”现象，使其活性大幅度下现象，使其活性大幅度下降，因

17、而造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，因而造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。薄膜型降低。薄膜型 SnO2SnO2 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 )，并且这种，并且这种元件具有很大的表面积，自身的活性较高，本身气敏性很好；且催化剂元件具有很大的表面积，自身的活性较高，本身气敏性很好；且催化剂“中毒中毒”不十分明显。不十分明显。薄膜型器件一般是在绝缘基板上，蒸薄膜型器件一般是在绝缘基板上，蒸发或溅射一层发或溅射一层SnOSnO2 2薄膜再引出电极。薄膜再引出电极。具体结构如具体结构如9-59-5图所示。并

18、且可利用图所示。并且可利用器件对不同气体的敏感特性实现对不器件对不同气体的敏感特性实现对不同气体的选择性检测。同气体的选择性检测。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第 9 章化学物质传感器2022-6-219非电阻型气敏传感器非电阻型气敏传感器主要包括主要包括利用利用MOSMOS二极二极管的电容管的电容电压特性变化的电压特性变化的MOSMOS二极管型气敏二极管型气敏传感器和利用传感器和利用MOSMOS场效应管的阈值电压变化的场效应管的阈值电压变化的MOSMOS场效应管型气敏传感器。场效应管型气敏传感器。9.1.3 非电阻型半导体气敏传感器第 9 章化学物质传感器202

19、2-6-220Pd- MOSMOS二极管气敏元件是二极管气敏元件是在在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，在氧化层蒸发一层，在氧化层蒸发一层钯（层钯（PdPd）金属膜作）金属膜作栅栅电极。氧化层（电极。氧化层（ ）的电容）的电容CaCa是固定不变的。而硅是固定不变的。而硅片与片与 层电容层电容CsCs是外加电压的函数，所以总电容是外加电压的函数，所以总电容C C是是栅极栅极偏压的函数，偏压的函数，其其函数关系称为该函数关系称为该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随电随电压压U U变化。变化。2

20、SiO2SiO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第 9 章化学物质传感器2022-6-221由于金属钯（由于金属钯（PdPd）对氢气特别敏感。当）对氢气特别敏感。当PdPd吸附氢气以吸附氢气以后，使后，使PdPd的功函数下降，且所吸附气体的浓度不同功的功函数下降，且所吸附气体的浓度不同功函数变化量不同，这将引起函数变化量不同，这将引起MOSMOS管的管的CUCU特性向左平移特性向左平移（向负方向偏移），如图（向负方向偏移），如图9-79-7所示。由此可测定氢气的所示。由此可测定氢气的浓度。浓度。图9-7 MOS管的CU特性第 9 章

21、化学物质传感器2022-6-2229.1.4 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、空实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所场所等。下面等。下面给出几个典型实例。给出几个典型实例。第 9 章化学物质传感器2022-6-223对于丙烷、丁烷、甲烷对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的选定在其爆炸下限的

22、110，通过调整电阻，通过调整电阻来调节。来调节。1. 简易家用气体报警图图9-89-8是一种最简单的家用气体报警是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器器电路，采用直热式气敏传感器TGSlO9TGSlO9，当室内可燃性气体浓度，当室内可燃性气体浓度增增加加时，气敏器件接触到可燃性气体时，气敏器件接触到可燃性气体而而电阻值降低电阻值降低，这样流经测试回路，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器的电流增加，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第 9 章化学物质传感器2022

23、-6-2242. 有害气体鉴别、报警与控制电路旁热式烟雾、有害气体传感器。旁热式烟雾、有害气体传感器。无有害气体时阻值较高无有害气体时阻值较高(10 (10 左右左右) )，有有害气体或烟雾进入，有有害气体或烟雾进入时阻值急剧时阻值急剧下降下降，A A、B B两端电压两端电压下降下降. .V当当5 5脚电压达到预定值时脚电压达到预定值时( (调节可调电阻调节可调电阻RPRP可改变可改变5 5脚的电压预定值脚的电压预定值) ) ，1 1、2 2两脚导通两脚导通. .吸合，吸合，合上排风扇电合上排风扇电源开关自动排风源开关自动排风声光声光报警报警电路一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴电路一方面

24、可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气，使室内空气清新。排气，使室内空气清新。第 9 章化学物质传感器2022-6-2250.53V0.53V时，则时，则 VLVL1 1 和和VLVL2 2 点亮点亮当当7 7脚脚电位电位等于等于0.18V0.18V时时,VL,VL1 1 被点亮被点亮0.84V 0.84V 时时,VL,VL1 1 VLVL3 3均点亮均点亮1.19V1.19V时，时，VLVL1 1 VLVL4 4均点亮均点亮2V2V时，则使时，则使VLVL1 1 VLVL5 5 全部点亮全部点亮采用低功耗、

25、高灵采用低功耗、高灵敏的敏的QM-N10QM-N10型气敏型气敏检测管，它和电位检测管，它和电位器器RPRP 组成气敏检测组成气敏检测电路，气敏检测信电路，气敏检测信号从号从RPRP的中心端旋的中心端旋臂取出。臂取出。U257BU257B是是LEDLED条形驱动器集成电路，其输出量条形驱动器集成电路，其输出量(LED(LED点亮只数点亮只数) )与输入电压成线性关系。与输入电压成线性关系。LEDLED被点亮的只数取决于输入端被点亮的只数取决于输入端7 7脚电位的高低。脚电位的高低。通常通常ICIC的的7 7脚电压低于脚电压低于0.18V0.18V时，其输出端时，其输出端2 26 6脚均为低电平

26、，脚均为低电平，VLVL1 1-VL-VL5 5均不亮。均不亮。U257BU257B的额的额定工作电压范围定工作电压范围8 825 V25 V；输入电压最大；输入电压最大25V25V；输入电流输入电流0.5mA0.5mA；功耗；功耗690mW.690mW.它可用于家庭对煤气、一氧化碳、它可用于家庭对煤气、一氧化碳、液化石油气等泄漏实现监测报警液化石油气等泄漏实现监测报警3. 3. 可燃性气体浓度检测电路可燃性气体浓度检测电路图图9-10 9-10 可燃性气体浓度检测电路原理图可燃性气体浓度检测电路原理图第 9 章化学物质传感器2022-6-226 当当QM-N10QM-N10不接触可燃性气体时

27、，其不接触可燃性气体时，其ABAB两电极间呈高阻两电极间呈高阻抗，使得抗，使得7 7脚电压趋于脚电压趋于0V0V，相应，相应VLVL1 1VLVL5 5均不亮。当均不亮。当QM-QM-N10N10处在一定的可燃性气体浓度中时，其处在一定的可燃性气体浓度中时，其ABAB两电极间电两电极间电阻变得很小，这时阻变得很小，这时7 7脚存在一定的电压脚存在一定的电压0.18V0.18V，使得相应，使得相应的发光二极管点亮。如果可燃性气体的浓度越高，则的发光二极管点亮。如果可燃性气体的浓度越高，则VLVL1 1VLVL5 5依次被点亮的只数越多。依次被点亮的只数越多。 图图9-10 9-10 可燃性气体浓

28、度检测电路原理图可燃性气体浓度检测电路原理图第 9 章化学物质传感器2022-6-227限流电阻限流电阻 QM-N5QM-N5型型气敏元件气敏元件 报警设定报警设定电位器电位器 VTVT2 2和和VTVT3 3互互补式自激多补式自激多谐振荡器谐振荡器 图图9-11 9-11 矿灯瓦斯报警器电路矿灯瓦斯报警器电路4. 矿灯瓦斯报警器第 9 章化学物质传感器2022-6-228因为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏元件在使用前必须因为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏元件在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。一般将矿灯瓦斯报警器直接安放在矿工的工作帽预热十几分钟以避免误

29、报警。一般将矿灯瓦斯报警器直接安放在矿工的工作帽内，以矿灯蓄电池为电源。当瓦斯超限时，矿灯自动闪光并发出报警声。内，以矿灯蓄电池为电源。当瓦斯超限时，矿灯自动闪光并发出报警声。 当瓦斯超过某设定点时，当瓦斯超过某设定点时，输出信号通过二极管输出信号通过二极管VDVD加到加到VTVT1 1基极上，基极上，VTVT1 1导导通，通，VTVT2 2、VTVT3 3便开始工便开始工作。而当瓦斯浓度作。而当瓦斯浓度低低时，时，RPRP 输出的信号电位低，输出的信号电位低，VTVT1 1截止，截止，VTVT2 2、VTVT3 3也也截截止止. . 图图9-11 9-11 矿灯瓦斯报警器电路矿灯瓦斯报警器电

30、路第 9 章化学物质传感器2022-6-229图图9-11 9-11 矿灯瓦斯报警器电路矿灯瓦斯报警器电路在在VTVT1 1导通后电源通过导通后电源通过R R3 3对对C C1 1充电，当充电至一定电压时充电，当充电至一定电压时VTVT3 3导通，导通，C C2 2很快通过很快通过VTVT3 3充电，使充电，使VTVT2 2导通，继电器导通，继电器K K吸合。吸合。VTVT2 2导通后导通后C C1 1立即开始放电，立即开始放电，C C1 1正极经正极经VTVT3 3的基极、发射极、的基极、发射极、VTVT1 1的集电结、电源负极，再经电源正极至的集电结、电源负极，再经电源正极至VTVT2 2

31、集电结至集电结至C C1 1负负极，所以放电时间常数较大。极，所以放电时间常数较大。当当C C1 1两端电压接近零时，两端电压接近零时，VTVT3 3截止。此时截止。此时VTVT2 2还不能马上截止，原因是电容还不能马上截止，原因是电容器器C C2 2上还有电荷，这时上还有电荷，这时C C2 2经经R R2 2和和VTVT2 2的发射结放电，待的发射结放电，待C C2 2两端电压接近零时两端电压接近零时VTVT2 2就截止了，自然就截止了，自然K K也就释放。当也就释放。当VTVT3 3截止，截止，C C1 1又进入充电阶段，以后过程又进入充电阶段，以后过程又同前述，使电路形成自激振荡，又同前

32、述，使电路形成自激振荡，K K不断地吸合和释放。不断地吸合和释放。由于由于K K与矿灯都是安装在工作帽上，与矿灯都是安装在工作帽上，K K吸吸合时，衔铁撞击铁芯发出的合时，衔铁撞击铁芯发出的“嗒嗒嗒嗒”声声通过矿帽传递给矿工听见。同时，矿灯通过矿帽传递给矿工听见。同时，矿灯因因K K的吸合与释放也不断闪光，引起矿工的吸合与释放也不断闪光，引起矿工的警觉，他可及时采取通风措施。的警觉，他可及时采取通风措施。 第 9 章化学物质传感器2022-6-2305烟雾报警器电路 由电源、检测、定时报警输出三部分组成。电源部分将由电源、检测、定时报警输出三部分组成。电源部分将220V220V市电经变压器降至

33、市电经变压器降至15V15V，由组成的桥式整流电路整流并经滤波成直流。，由组成的桥式整流电路整流并经滤波成直流。 图图9-12 9-12 烟雾报警器电路原理图烟雾报警器电路原理图HQ-2HQ-2气敏管气敏管ABAB之间的电阻，之间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有在无烟环境中为几十千欧，有烟雾环境中可下降到几千欧。烟雾环境中可下降到几千欧。 第 9 章化学物质传感器2022-6-231一旦有烟雾存在，一旦有烟雾存在，ABAB间电阻便迅速间电阻便迅速减小减小，比较器通过电位器，比较器通过电位器RPRP1 1所取得所取得的分压随之的分压随之增加增加，ICIC1 1翻转输出翻转输出高电平高电平使使T

34、 T2 2导通。导通。ICIC2 2在在ICIC1 1翻转之前输出高翻转之前输出高电平，因此电平，因此T T1 1也处于也处于导通导通状态。只要状态。只要ICIC1 1一翻转，输出端便可输出报警信一翻转，输出端便可输出报警信号。输出端可接蜂鸣器或发光器件。号。输出端可接蜂鸣器或发光器件。 ICIC1 1翻转后，由翻转后，由R R3 3、C C1 1组成的定时器开始工作组成的定时器开始工作( (改变改变R R3 3阻值可改变报警信号的阻值可改变报警信号的长短长短) )。当电容。当电容C C1 1被充电达到阈值电位时，被充电达到阈值电位时，ICIC2 2翻转，则翻转，则VTVT1 1关断关断，停止

35、输出，停止输出报警信号。烟雾消失后，比较器复位，报警信号。烟雾消失后，比较器复位，C C1 1通过通过ICIC1 1放电。该气敏管长期搁置放电。该气敏管长期搁置首次使用时，在没有遇到可燃性气体时电阻也将减小，需经首次使用时，在没有遇到可燃性气体时电阻也将减小，需经1010分钟左右的分钟左右的初始稳定时间后方可正常工作。初始稳定时间后方可正常工作。 图图9-12 9-12 烟雾报警器电路原理图烟雾报警器电路原理图第 9 章化学物质传感器2022-6-2326酒精检测报警器图图9-13 9-13 酒精检测报警控制器电路原理图酒精检测报警控制器电路原理图由于由于 气敏元件不仅对酒精敏感，而且气敏元件

36、不仅对酒精敏感，而且对于汽油、香烟也敏感，经常造成检测驾对于汽油、香烟也敏感，经常造成检测驾驶员是否饮酒的报警器发生误动作而不能驶员是否饮酒的报警器发生误动作而不能普遍推广使用。必须选用只对酒精敏感的普遍推广使用。必须选用只对酒精敏感的QM-NJ9QM-NJ9型酒精传感器型酒精传感器，要求当检测器接触，要求当检测器接触到酒精气味后立即发出连续不断的到酒精气味后立即发出连续不断的“酒后酒后别开车别开车的响亮语音报警，并的响亮语音报警，并切断车辆切断车辆的点火电路的点火电路，强制车辆熄火。，强制车辆熄火。2SnOQM-NJ9QM-NJ9型酒精型酒精传感器传感器 语言声光语言声光报警器报警器第 9

37、章化学物质传感器2022-6-233图图9-13 9-13 酒精检测报警控制器电路原理图酒精检测报警控制器电路原理图三端稳压器三端稳压器78057805将传感器的加将传感器的加热电压稳定在热电压稳定在5V5V0.2V0.2V，保证，保证该传感器工作稳定性和具有高该传感器工作稳定性和具有高的灵敏度。的灵敏度。 当酒精气敏元件当酒精气敏元件接触到酒精味后接触到酒精味后B B点电压升高，且升点电压升高，且升高值随检测到的酒精高值随检测到的酒精浓度增大而升高，当浓度增大而升高，当该电压达到该电压达到1.6V1.6V时时导通导通语言声光语言声光报警器报警器第 9 章化学物质传感器2022-6-234呼气

38、管呼气管酒精测试仪酒精测试仪第 9 章化学物质传感器2022-6-235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第 9 章化学物质传感器2022-6-236一氧化碳传感器一氧化碳传感器第 9 章化学物质传感器2022-6-237汽车尾气分析汽车尾气分析第 9 章化学物质传感器2022-6-238第 9 章化学物质传感器2022-6-239第 9 章化学物质传感器2022-6-2409.2 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、医疗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。例如以及日常生活中的地位越来越重要。例如

39、: :许多储物仓库在湿度超过某一程度时，物品易许多储物仓库在湿度超过某一程度时，物品易发生变质或霉变现象；发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿度保持在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。保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。第 9 章化学物质传感器2022-6-241第 9 章化学物质传感器2022-6-242/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、绝对湿度、

40、相对湿度、露点相对湿度、露点等表示。等表示。待测空气中水待测空气中水蒸气质量蒸气质量待测空气的总体待测空气的总体积，单位为积，单位为g/mg/m3 39.2.1 湿度的表示方法1. 1. 绝对湿度绝对湿度 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，单位体单位体积空气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气，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表的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为示，即为绝对湿度绝对湿度（g/mg/m3 3）第 9 章化学物质传感器2022-6-243max(/)100%

41、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，即）的百分比，即 通常，用通常，用RHRH表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了显然，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，故使用更广泛。大气的潮湿程

42、度，故使用更广泛。日常生活中所说的空气湿度，实日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。际上就是指相对湿度而言。2. 相对湿度温度温度第 9 章化学物质传感器2022-6-244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，当降到某温度时，空气中，当降到某温度时，空气中的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而，开始从气态变成液态而凝结成露珠凝结成露珠，这种现象，这种现象称为结露，此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于称为结露，此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于00，水气将凝结成霜，此时称其为霜点。通常对两者

43、不予区分，统称，水气将凝结成霜，此时称其为霜点。通常对两者不予区分，统称为为露点露点，其单位为，其单位为。 3. 露点第 9 章化学物质传感器2022-6-2459.2.2 湿度传感器的分类 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提开发新一代湿度、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。湿敏元件是最简单的湿度

44、传感器。产品的基本形式都是高到新的水平。湿敏元件是最简单的湿度传感器。产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，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元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。，从而制成湿敏元件。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是指对环境湿度具有响应或转换成相应可测信号的元件湿敏元件是指对环境湿度具有响应或转换成相应可测信号的元件湿度传感器是由湿度传感器是由湿敏元件及转换电湿敏元件及转换电路路组成的，具有把环境湿度转换为组

45、成的，具有把环境湿度转换为电信号的能力。电信号的能力。第 9 章化学物质传感器2022-6-246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膜，当的特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，空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发元件的电阻率和电阻值都发生变化，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的互换性差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. .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

46、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第 9 章化学物质传感器2022-6-2472. 湿敏电容 当环境湿度发生改变时，当环境湿度发生改变时，湿敏电容极间介质的介电常数发生变化，湿敏电容极间介质的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。其电容变化量与相对湿度成正比。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、响应速度快、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、容易实现小型化和集成化，其精度一般湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型

47、化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。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国外生产湿敏电容的主要厂家有国外生产湿敏电容的主要厂家有HumirelHumirel公司、公司、PhilipsPhilips公司、公司、SiemensSiemens公司等。公司等。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件电解质离子型湿敏元件、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荡频率）、（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件光强型湿敏元件、声表面波湿

48、敏声表面波湿敏元件元件等。等。第 9 章化学物质传感器2022-6-248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以正负离子的形式以正负离子的形式存在，锂离子（存在，锂离子（Li+Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成）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力与溶液浓度成正比，溶液浓度高，溶液中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。当溶液置于一定湿度场中，度增加，导电率上升。当溶液置于一定湿度场中，若环境若环境RHRH上升，溶液

49、吸收水分子使浓度下降，电阻率上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率上升，上升，反反之之RHRH下降，电阻率下降，电阻率下降下降。通过测量溶液电阻值。通过测量溶液电阻值R R实现对实现对湿度的测量。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第 9 章化学物质传感器2022-6-249在梳状或在梳状或柱状电极柱状电极间的电阻间的电阻值的变化值的变化反映了空反映了空气相对湿气相对湿度的变化。度的变化。氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状，如图氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状，如图9-159-15所示所示 图图9-15 9-15 氯化锂电阻湿度传感器氯化锂电阻湿度传感器第

50、 9 章化学物质传感器2022-6-250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，而浓度高的单片湿度传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。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。等。每一传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用每一传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相

51、应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。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第 9 章化学物质传感器2022-6-2512陶瓷湿敏传感器半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属氧半导体陶瓷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分为两种半导体陶瓷湿敏电阻分为两种一种材料的一种材料的

52、电阻率随湿度增加而下电阻率随湿度增加而下降降，称为，称为负特性负特性半导体陶瓷湿敏电半导体陶瓷湿敏电阻（例：阻（例：ZnO-LiO2-V2O5ZnO-LiO2-V2O5）一种材料一种材料( (如如Fe3O4Fe3O4半导瓷半导瓷) )的的电阻电阻率随着湿度的增加而增大率随着湿度的增加而增大，称为，称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。第 9 章化学物质传感器2022-6-252由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导体陶瓷表面附着时，就可能从半导体陶瓷在半导体陶瓷表面附着时，就可能从半导体陶瓷表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负

53、电，相当表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负电，相当于表面电势变负。于表面电势变负。P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已知一系列的金属氧化物，特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别是过渡金属氧化物及其盐类都具有这样特性，如都具有这样特性，如22 4,ZnOCuOTiO ZnCrO对于对于N N半体陶导瓷，由于水分子附着同样会使表面电势下降，半体陶导瓷，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，同时将大量的空穴吸引到表面层，以至有可能比较多，不仅使表面的电子耗尽，

54、同时将大量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，出现所谓表面反型层反型层，这些空穴称，这些空穴称为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电势下降，这类材由于水分子的吸附使表面电势下降，这类材料就是负特性湿敏半导体陶瓷。它的阻值随料就是负特性湿敏半导体陶瓷。它的阻值随着湿度的增加可以下降三至四个数量级。

55、着湿度的增加可以下降三至四个数量级。第 9 章化学物质传感器2022-6-253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。当水分子的附着使表面电势变负结构、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，造成表面层时，造成表面层电子浓度的下降电子浓度的下降，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型的程度，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表面电阻将由于电子浓度的下降而增大

56、的下降而增大，这类半导瓷材料的表面层，这类半导瓷材料的表面层电阻将随环境湿度的增加而加大电阻将随环境湿度的增加而加大。如果对于某一种半体陶导瓷，它的晶粒间界电阻与体内电阻相比并不很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多大作用。不过，通常湿敏半大，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，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，所高，必将引起总阻值的明显升高。但由于晶

57、体内部低阻支路依然存在，所以总阻值的升高不像负特性材料中的阻值下降那么明显。以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 第 9 章化学物质传感器2022-6-254由金属氧化物粉末或某些金由金属氧化物粉末或某些金属氧化物烧结体研成的粉末，属氧化物烧结体研成的粉末，通过一定方式的调合、喷洒通过一定方式的调合、喷洒或涂覆在具有叉指电极的陶或涂覆在具有叉指电极的陶瓷基片上而制成的。瓷基片上而制成的。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其结构所造成的。由于粉粒之间通由其结构所造成的。由于粉粒之间通常是很松散的常是很松散的“准自由准自由”表面，这些表面

58、，这些表面都非常有利于水分子附着，特别表面都非常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间不太紧密的接触更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。极性的、离解有利于水分子的附着。极性的、离解力极强的水分子在粉粒接触处的附着力极强的水分子在粉粒接触处的附着将使其接触程度强化，并且接触电阻将使其接触程度强化，并且接触电阻显著降低。显著降低。第 9 章化学物质传感器2022-6-255因此因此环境湿度越高，水分子附着越多，接触电阻就越低环境湿度越高，水分子附着越多，接触电阻就越低。由于接触电阻在湿敏元件中是起主导作用的，所以随着环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

59、，元件的电阻下降。而且，不论是用负特性境湿度的增加，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，只要其结构是属于型还是正特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，其阻值都将随着环境湿度的增高而显著下粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境湿度的增高而显著下降。例如，烧结型降。例如，烧结型FeFe3 3O O4 4湿敏电阻具有正特性，而瓷粉膜湿敏电阻具有正特性，而瓷粉膜型型FeFe3 3O O4 4湿敏电阻具有负特性。湿敏电阻具有负特性。第 9 章化学物质传感器2022-6-256在诸多的金属氧化物陶瓷材料中，由铬酸镁二氧化钛固溶体组成的多孔性半导在诸多的金属氧化

60、物陶瓷材料中，由铬酸镁二氧化钛固溶体组成的多孔性半导体陶瓷是性能较好的湿敏材料，它的表面电阻率能在很宽的范围内随着湿度的变化体陶瓷是性能较好的湿敏材料，它的表面电阻率能在很宽的范围内随着湿度的变化而变化，而且能在高温条件下进行反复的热清洗，性能仍保持不变。而变化，而且能在高温条件下进行反复的热清洗，性能仍保持不变。 图图9-16 9-16 陶瓷湿敏元件结构陶瓷湿敏元件结构242TiOOMgCr多孔陶瓷湿敏传感器的结构，气孔大部分为多孔陶瓷湿敏传感器的结构，气孔大部分为粒间气粒间气孔孔，气孔直径随，气孔直径随 添加量的增加而增大，平均气添加量的增加而增大，平均气孔直径在孔直径在100100300