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1、1项目 5 气敏、 气敏传感器能够感受被测气体并把气体 (多数为空气 )中的特定成分检测出来，并将它转为可输出信号的器件称为气敏传感器。气敏传感器最早用于可燃性气体泄露报警，用于防灾，保证生产安全。以后逐渐推广应用，用于有毒气体的检测、容器或管道的检漏、环境监测 (防止公害 )、锅炉及汽车的燃烧检测与控制 (可以节省燃料，并且可以减少有害气体的排放 )、工业过程的检测与自动控制 (测量分析生产过程中某一种气体的含量或浓度 )。近年来，在医疗、空气净化、家用燃气灶和热水器等方面，气敏传感器得到了普遍的应用。3气敏传感器主要检测对象及其应用场所41、半导瓷气敏传感器的工作原理半导体材料 (如 面吸
2、附某些气体时，由于 吸附效应而产生导电现象， 其导电率随气体浓度变化而变化。例如气敏半导瓷材料氧化锡 内部电阻值可等效为三种电阻串联：（见 吸附效应图 ）晶粒间的晶间电阻单个晶粒表面电阻单个晶粒的体电阻则气敏电阻可等效为 导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。气敏元件工作机理 s 敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度。2、气敏半导瓷掺加 石棉， 粉、钼酸 )、 烟雾的灵敏度有明显增加，可供制造常温工作的烟雾报警器。3、气敏半导瓷与半导体单晶相比，具有工艺简单，使用方便，价格便宜，灵敏度高、响应速度快等优点，故可用于制作多种具有实用价值的
3、气敏元件。4、气敏半导瓷的缺点是温度、湿度影响较大。稳定性差，老化较快，并需要进一步提高其气体识别的能力及稳定性。常用气敏元件的种类 常用气敏元件的种类按结构可分为：1、烧结型2、薄膜型3、厚膜型其中烧结型应用最广泛 。9常用气敏元件的分类（ 2）10烧结型 敏感体用粒径很小 (平均粒径 m)的 据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测 可燃的还原性 气体，其工作温度约 300 。根据加热方式，分为 直接加热式 和 旁热式 两种。（ 1）直接加热式感体和加热器 )，基座和金属防爆网罩三部分组成。直接加 热式气敏器件结构及符号1234a)结构4321(b)符号1、烧结型气敏元件11
4、电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号456（ a）结构 （ b）674545气敏元件外形和引出线分布（2）旁热式气敏元件122薄膜型气敏元件薄膜型气敏元件的结构如图所示。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。实验测定，证明 这种薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。133厚膜气敏元件厚膜器件是用 15 (重量 )的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的 (400 800) 烧结 1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。14成能溶于氢气 ( 金属钯（ 铂（ 。半导体用 电阻率 湿度传感器随着现代
5、工农业技术的发展及生活条件的提高，湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。例如：大规模集成电路生产车间，当其相对湿度低于 30时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿度小而产生静电时，容易产生爆炸；纺织厂为了减少棉纱断头，车间要保持相当高的湿度 (60 75 )；一些仓库 (如存放烟草、茶叶和中药材等 )在湿度过大时易发生变质或霉变现象。湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多数是测量气体中的水蒸气含量。通常用 绝对湿度、相对湿度和 露点 (或露点温度 )来表示。16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：绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的
6、质量，其定义为：m 待测空气中水蒸气质量； V 待测空气的总体积； v 待测空气的绝对湿度。如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：P 空气中水蒸气分压； M 水蒸气的摩尔质量R 理想气体常数； T 空气的绝对温度。对湿度和相对湿度%10017湿敏元件的种类 湿敏元件的种类：1、氯化锂湿敏元件，2、半导体陶瓷湿敏元件3、热敏电阻湿敏元件，4、高分子膜湿敏元件。湿敏元件的敏感材料1、氯化锂电解质 (离子晶体，遇湿离子导电状态发生变化。2、金属氧化物陶瓷 ：晶粒间有开放气孔，吸湿后，电阻变化。3、金属氧化物 ：吸水和脱水性好，吸水
7、后电阻率变化。4、高分子材料 ：电特性（如电阻）随湿度变化。氯化锂湿敏元件1、氯化锂湿敏元件的作用原理氯化锂是典型的离子晶体。高浓度的氯化锂溶液中， 1仍以正、负离子的形式存在；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浓度的增高而下降。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，则溶液的浓度高。因此，氯化锂湿敏元件的电阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现对湿度的电测量。192、氯化锂湿敏电阻的结构203、半导体陶瓷湿敏元件负特性湿敏半导瓷基本物理特性：第一阶段 ：吸湿初期（低湿），少量水蒸气在晶界面
8、吸附形成胫基，离解后的质子向里面晶格滚动。第二阶段 ：进一步吸湿（中等湿），形成水的多分子层，表面湿度增加，电阻大幅度下降。第三阶段 ：晶粒界全部充满水分（高湿），电极间电解质层均匀，电阻值更加降低。特点： 1、 多气孔孔径 1 3m;耐高温。2、 在 0 100%阻值可以变化 5个数量级。22多孔陶瓷表面吸收水分的情况23陶瓷湿敏传感器的特点优点：1）接触面积大，易于水蒸气的吸收和脱却。2）耐高温，物理、化学性质稳定。3）调整表面晶粒、晶粒界和气孔的构造，改善传感器特性。缺点：1）反复吸附使表面构造变化，产生滞后误差。2）蒸气量少时，平衡时间长。241烧结型湿敏电阻该湿度传感器的感湿体是 种
9、多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔 ,气孔直径随 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。感湿材料被压制成 44 1300 左右烧成，在感湿片两面涂布氧化钌 (孔电极，并于800 下烧结。在感湿片外附设有加热清洗线圈，此清洗线圈主要是通过加热排除附着在感湿片上有害气体及油雾、灰尘，恢复对水汽的吸附能力。由于它具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化，并得到广泛应用。25烧结型半导体陶瓷湿敏电阻的结构26烧结型半导体陶瓷湿敏元件的测量电路272、 覆膜型 基片上用丝网印刷工艺制成梳状金电极。将纯净的 水调制成适当粘度的浆料，然后涂覆在已有金
10、电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。涂覆膜型 结构松散的 与烧结陶瓷相比，缺少足够的机械强度。 靠分子力和磁力的作用，构成接触型结合。虽然 微粒间的接触电阻却很大，导致 水分子透过松散结构的感湿膜而吸附在微粒表面上时，将扩大微粒间的面接触，导致接触电阻减小，因而这种器件具有 负感湿特性 。敏电阻式湿敏元件 30热敏电阻式湿敏传感器工作原理 （ 两个珠形热敏电阻 身加热至 200 左右、一个封入干燥空气中 (封闭式 )，另一个作为湿敏元件 (开启式 )，共同组成湿度传感器，其电桥电路构成原理及结构如前图所示。先在干燥空气中调整电桥元件，使电桥输出为零。当暴露在湿空气中时，由于相应空气中
11、含有水蒸气，传感元件的电阻 而电桥的平衡被破坏，此不平衡电压为绝对湿度的函数。 从电桥电路的 1热敏电阻湿敏元件的特点 （ 力学方法 ,速度快 , 测湿响应速度大约十几秒；2、无滞后现象和 滞后误差；3、不像干湿球温度计需要水和纱布及其它维修保养；4、可连续测量 (不需要加热清洗 )；5、抗受风、油、尘埃能力强；6、混入其他气体时 ,影响测量精度；7、成本较高 分子膜湿敏元件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
12、）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。33高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。1、电容式湿度传感器结构高分子薄膜 上部电极 下部电极34湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。下图为湿度传感器测量电路原理图。35_湿敏元件5大电路传感器 驱动电路 整流电路 对数 温补电路2、湿度传感器测量电路原理图353、电子湿度计的构成 36100 2 10 10 10 32结露传感器近年来，结露传感器的应用使磁带录像机 (轴、汽车的车窗玻璃、建材及其它精密机器等的结露问题得到解决。由树脂和导电粒子组成的膜状结构的结露传感器，其原理基于吸收水份后，导电粒子的间隔扩大，电阻增大，并且结露传感器的电路具有开关特性。这种传感器能在结露等恶劣环境下长期使用。39结露传感器的应用在磁带录像机中，当环境湿度过大时，走带机构的磁鼓，导带杆、主导轴等金属零件上就会结露，导致磁带和机械传动装置之间的摩擦阻力加大，进而造成磁带速度不稳，甚至停止。为了保护磁头及磁带，录像机中应安装结露传感器及保护装置，用以在环境湿度过大时提供结露指示 (，并使录像机自动进入结露停机保护状态。水份传感器 水份是存在于物
