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1、第10章 气湿敏传感器,10.1 半导体气敏传感器 10.2 半导体湿敏传感器,以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、重量轻、成本低、便于集成化和智能化的优点，但是由于特性的分散性、温度不稳定性和易受干扰的缺点，在某些情况下又限制了半导体传感器的应用。本章将介绍半导体气敏传感器、湿敏传感器,第10章 气湿敏传感器,10.1 半导体气敏传感器,气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，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、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制
2、和报警系统。,第10章 气湿敏传感器,气敏传感器的性能必须满足下列条件：(1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。(2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。(3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。(4) 使用、维护方便，价格便宜等。,第10章 气湿敏传感器,10.1.1 半导体气敏传感器的分类,半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器，分类如表10-1所示。按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体后电
3、阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。,第10章 气湿敏传感器,按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，又可分为表面电阻控制型和体电阻控制型。,第10章 气湿敏传感器,10.1.2 电阻型半导体气敏传感器,1. 材料和结构因为许多金属氧化物具有气敏效应，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，因此称之为半导体陶瓷，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。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡(SnO2
4、)制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。,第10章 气湿敏传感器,按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图所示。,第10章 气湿敏传感器,图 (a)所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷如SnO2为基材，添加不同物质采用低温(700900)制陶方法进行烧结，烧结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上制成元件。图 (b)所示为薄膜型气敏元件，是用蒸发或溅射方法，在石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜(厚度在100nm以下)，用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵
5、敏度和响应速度。,第10章 气湿敏传感器,图c)所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料(SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混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氧化铝的基片上，在400800的温度下烧结1个2个小时便制成厚膜型气敏元件。这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到200400。,第10章 气湿敏传感器,2. 工作原理电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化
6、，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,第10章 气湿敏传感器,电阻值的变化是伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为了加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热.下面以半导瓷材料SnO2为例，说明表面电阻控制型气敏传感器的工作原理。半导瓷材料SnO2属于N型半导体，N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线如图所示。,第10章 气湿敏传感器,第10章 气湿敏传感器,从图中可见，当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min，然后上升，经2min10min后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只
7、有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定，如果被测气体是氧化性气体(如O2和NOx)，,第10章 气湿敏传感器,被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。如果被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精等)，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。图所示为典型气敏元件的阻值浓度关系。,第10章 气湿敏传感器,第10章 气湿敏传感器,10.1.3 气敏传感器的应用,1.可燃气体泄漏报警器,第10章 气湿敏传感器,第10章 气湿敏传感器,电路中，D
8、为检测元件，因外观呈黑褐色，又称为黑元件，C 为补偿元件，因外观呈白色，又称为白元件。RC为补偿电阻。黑、白元件工作时装在防爆气室中，通过隔爆罩与大气接触。而 C、D、RC、R3、R4 组成检测桥路。运算放大器及外围元件组成电压比较器。半导体三极管 VT2、VT3、VT4、VT5 与发光二极管 VD5 及峰鸣器 Y 等组成声光报警电路。VT1、VD3 及 R8组成控制开关电路。,第10章 气湿敏传感器,当没有可燃性气体泄露时，A 点电位低于 B 点电位，电桥处于相对平衡状态，比较器IC1 输出低电平，使 VT1 截止，此时发光二极管 VD5不发光，蜂鸣器 Y 无报警声。当有可燃性气体泄露时，在
9、 D元件表面发生化学反应，使D 元件电阻增加，A点电位上升至高于B 电位时，比较器 IC1 输出高电平，VT1 导通，打开报警电路，在 VT2 和 VT3 组成的多谐振荡器的作用下，发光二极管 VD5 与蜂鸣器 Y 同步发出闪光和报警声。,10.2 半导体湿敏传感器,湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度(通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度)变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。,第10章 气湿敏传感器,10.2.1 概述,1. 湿度表示法所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量，表明大气的干、湿程度，常用绝对湿度和相对湿度表示。1) 绝对湿
10、度(Absolute Humidity)绝对湿度是在一定的温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，一般用符号AH表示，其定义为,第10章 气湿敏传感器,第10章 气湿敏传感器,mv 为待测空气中的水汽含量；V 为待测空气的总体积。 AH 的单位为 g/m3或 mg/m3。,2) 相对湿度(Relative Humidity)相对湿度是指被测气体中的水蒸气气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比。相对湿度给出大气的潮湿程度，因此，它是一个无量纲的值，一般用符号%RH表示，其表达式为,第10章 气湿敏传感器,2. 湿敏传感器的分类 按元件输出的电学量分类可分为：电阻式、电容式、频
11、率式等。 按其探测功能可分为：相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种 按材料则可分为：陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式等。,第10章 气湿敏传感器,另外，根据与水分子亲和力是否有关，可以将湿敏传感器分为水亲和力型湿敏传感器和非水亲和力型湿敏传感器。水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部的这种特性称为水分子亲和力，水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如LiCl、ZnO材料的阻抗发生变化。因此，这些材料就可以制成湿敏元件，另外利用某些材料与水分子接触的物理效应也可以测量湿度。因此，这两大类湿敏传感器可细分为表10-2所示的各
12、种湿敏传感器。,第10章 气湿敏传感器,表10-2 湿敏传感器分类,第10章 气湿敏传感器,10.2.2 湿敏电阻的类型及原理,1. 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是典型的电解质湿敏元件，利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。典型的氯化锂湿敏传感器有登莫式和浸渍式两种，如图所示。,第10章 气湿敏传感器,登莫式传感器结构如图 (a)所示，A为涂有聚苯乙烯薄膜的圆管，B为用聚苯乙烯醋酸覆盖在A上的钯丝。登莫式传感器是用两根钯丝作为电极，按相等间距平行绕在聚苯乙烯圆管上，再浸涂一层含有聚苯乙烯醋酸脂(PVAC)和氯化锂(LiCl)水溶液的混合液，当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一
13、层可随环境湿度变化的感湿均匀薄膜。浸渍式传感器结构如图 (b)所示，由引线、基片、感湿层与金属电极组成。它是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的，这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。浸渍式传感器结构与登莫式传感器不同，部分地避免了高温下所产生的湿敏膜的误差。由于它采用了面积大的基片材料，并直接在基片材料上浸渍氯化锂溶液，因此具有小型化的特点，适用于微小空间的湿度检测。,第10章 气湿敏传感器,氯化锂浓度不同的湿敏传感器，适用于不同的相对湿度范围。浓度低的氯化锂湿敏传感器对高湿度敏感，浓度高的氯化锂湿敏传感器对低湿度敏感。一般单片湿敏传感器的敏感范围，仅在30%RH左右，为了扩大湿度测量的线性范
14、围，可以将多个氯化锂含量不同的湿敏传感器组合使用，如将测量范围分别为(10%20%)RH、(20%40%)RH、(40%70%)RH、(70%90%)RH、(80%99%)RH五种元件配合使用，可以实现整个湿度范围的湿度测量。,第10章 气湿敏传感器,2. 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型的传感器，根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理检测湿度。,第10章 气湿敏传感器,制造半导体陶瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的金属氧化物。这些材料有MgCr2O4（尖晶石）TiO2（二氧化钛）系、Fe3O4系等。有些半导体陶瓷材料的电阻率随湿度增加而下降，称为
15、负特性湿敏半导体陶瓷，还有一类半导体陶瓷材料的电阻率随湿度增大而增大，称为正特性湿敏半导体陶瓷。半导体陶瓷湿敏电阻按其结构可以分为烧结型和涂覆膜型两大类。,第10章 气湿敏传感器,1) 烧结型湿敏电阻,烧结型湿敏电阻的结构如图所示。其感湿体为MgCr2O4TiO2系多孔陶瓷，利用它制得的湿敏元件，具有使用范围宽、湿度温度系数小、响应时间短，对其进行多次加热清洗之后性能仍较稳定等优点。,第10章 气湿敏传感器,第10章 气湿敏传感器,图中 1、4 为加热器的引出线。陶瓷湿敏体和加热丝固定在 Al2O3 陶瓷基座上，为了避免底座上测量电极 2、3 之间因吸湿和沾污而引起漏电，在测量电极 2、3 的
16、周围设置了隔漏环。,2) 涂覆膜型Fe3O4湿敏器件除了烧结型陶瓷外，还有一种由金属氧化物通过堆积、黏结或直接在氧化金属基片上形成感湿膜，称为涂覆膜型湿敏器件。其中比较典型且性能较好的是Fe3O4湿敏器件。Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成，采用滑石瓷作为基片材料，该材料吸水率低，机械强度高，化学物理性能稳定。在基片上用丝网印刷工艺印制成梳状金电极，将纯,第10章 气湿敏传感器,净的胶粒用水调制成适当黏度的浆料，然后涂在梳状金电极的表面，涂覆的厚度要适当，一般在20um30um左右，然后进行热处理和老化，引出电极后即可使用。由于Fe3O4感湿膜是松散的微粒集合体，缺少足够的机械强度，微粒之间依靠分子力和磁力的作用，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，微粒之间的接触呈凹状，微粒间的接触电阻很大，所以Fe3O4感湿膜的整体电阻很高。当空气的相对湿度增大时，Fe3O4感湿膜吸湿，由于水分的附着,第10章 气湿敏传感器,
