第10章 气敏湿敏传感器Word下载.docx

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2．二氧化钛氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。

其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。

当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍

【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量

气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。

二、湿敏电阻传感器

湿度包括：

绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。

检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。

图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。

新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。

本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。

第10章气敏、湿敏传感器

本章主要内容

10.1气敏传感器

一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类

1.定义

2.结构：

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。

3.分类：

按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；

按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。

二.半导体气敏材料的气敏机理

三.SnO2系列气敏器件

1.主要特性

2.检测电路

四.气敏传感器的应用

1简易家用气体报警

2有害气体鉴别、报警与控制电路

3防止酒后开车控制器

10.2湿敏传感器

一．半导体陶瓷湿敏电阻

1.负特性湿敏半导瓷的导电原理

2正特性湿敏半导瓷的导电原理

二.典型半导瓷湿敏元件

三.湿敏传感器的应用

1湿度检测器

2高湿度显示器

本章教学要求及重点、难点

一．教学要求

1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构

2.掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用

二.重点、难点

重点：

气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用

难点：

10.1气敏传感器

●按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种：

①烧结型：

图5.1（a）所示为烧结型气敏元器件，它是以氧化物半导体（如SnO2）

材料为基体，将铂电极和加热器埋入金属氧化物中，经加热或加压成形后，再用低温（700℃～900℃）制陶工艺烧结制成，因此也被称为半导体陶瓷。

优点：

制作方法简单，器件寿命较长。

缺点：

由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，此外，电特性误差较大，所以应用受到一定限制。

2薄膜型

图5.1（b）所示为薄膜型气敏元器件，采用蒸发或溅射方法，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（厚度在100nm以下）。

制作方法也简单，

由于这种薄膜是物理性附着，所以器件间性能差异较大。

3厚膜型

图5.1（c）、图5.1（d）所示为厚膜型器件，它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。

这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。

这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。

一般加热到200℃～400℃。

●按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件：

①直热式器件

直热式器件的结构和符号如图5.2所示，器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。

制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用。

热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路之间没有隔离，相互影响。

②旁热式器件

旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。

其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。

这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分离，加热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互影响，器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。

半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面上自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。

这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。

具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx，称为氧化型气体或电子接收性气体。

如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而成为正离子吸附。

具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或电子供给型气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。

相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，而使电阻下降。

●吸附性：

图5.4为气体接触到N型半导体时所产生的器件阻值变化。

当这种半导体气敏传感器与气体接触时，其阻值发生变化的时间（称响应时间）不到1min。

相应的N型材料有SnO2，ZnO，TiO2，W2O3等，P型材料有MoO2，CrO3等。

空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。

如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。

●灵敏度特性：

图5.5为SnO2气敏器件的灵敏度特性，它表示不同气体浓度下气敏器件的电阻值。

实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响，如添加Pt（铂）或Pd（钯）可以提高其灵敏度和对气体的选择性。

添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。

例如在同一温度下，含1.5%（重量）Pd的元件，对CO最灵敏，而含0.2%（重量）Pd时，对CH4最灵敏；

又如同一含量Pt的元件，在200℃以下，对CO最灵敏，而400℃以检测甲烷最佳。

●温湿度特性

SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响，其电阻一温湿度特性如图5.6所示。

图中RH为相对湿度，所以在使用时，通常需要加温湿度补偿。

以提高仪器的检测精度和可靠性。

●初期恢复特性

除上述特性外，SnO2气敏器件在不通电状态下存放一段时间后，再使用之前必须经过一段电老化时间，因在这段时间内，器件阻值要发生突然变化而后才趋于稳定。

经过长时间存放的器件，在标定之前，一般需1～2周的老化时间。

SnO2气敏器件所用检测电路如图5.7所示。

当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。

各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。

下面给出几个典型实例。

图5.8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TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。

对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。

图5.9给出的有害气体鉴别、报警与控制电路图，一方面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排气，使室内空气清新。

MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高（10kΩ左右），有有害气体或烟雾进

入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降，使得B的电压升高，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端脚，当脚电压达到预定值时（调节可调电阻RP可改变5脚的电压预定值），1、2两脚导通。

+12V电压加到继电器上使其通电，触点J1-1吸合，合上排风扇电源开关自动排风。

同时2脚+12V电压经R4限流和稳压二极管VZ1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声，而且发光二极管发出红光，实现声光报警的功能。

图5.10为防止酒后开车控制器原理图。

图中QM–J1为酒敏元件。

若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。

若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1高电平，U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。

若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。

常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。

5G1555为集成定时器。

10.2湿敏传感器

湿度的基本概念

湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。

绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；

相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。

相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。

1.定义

湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。

湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；

另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；

再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。

通常，对湿敏器件有下列要求：

在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。

微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。

湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。

下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。

2.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材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷（以下简称半导瓷）。

1）负特性湿敏半导瓷的导电原理

由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。

如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。

若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，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表现出电导特性。

因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。

由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。

图5.12给出了几种负特性半导瓷阻值与湿度的关系。

2）正特性湿敏半导瓷的导电原理

正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。

当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。

于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。

如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。

不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占比例很大，故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高。

但是由于晶体内部低阻支路仍然存在，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那么明显。

图5.13给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。

从图5.13可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。

3.典型半导瓷湿敏元件

1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，电阻-湿度特性好，结构如图5.14所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起。

为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。

整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。

MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系如图5.15所示。

传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减小，又随周围环境温度的变化而有所变化。

2）ZnO-Cr2O3湿敏元件

ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5.16所示。

4.湿敏传感器的应用

图5.18所示的是湿度检测器电路。

由555时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。

当相对湿度变化时，湿度传感器CH的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1，VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。

Rp电位器用于仪器的调零。

图5.19是高湿度显示器电路。

它能在环境相对湿度过高时作出显示，告知人们应采取图5.17Fe3O4湿敏元件构造排湿措施了。

湿度传感器采用SMOL-A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在（20%～90%）RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。

为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压，湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。

当环境湿度增大时，RH阻值减小，电阻R1两端电压会随之升高，这个电压经D1整流后加到由T1和T2组成的施密特电路中，使T1导通，T2截止，T3随之导通，发光二极管D4发光。

高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合

气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。

气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。

所以对气敏传感器有下列要求：

能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。

由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。

近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。

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，可分为表面控制型和体控制型。

第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；

第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成（晶格缺陷浓度）发生变化，而使电导率改变。

按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。

电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；

非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。

表5-1为半导体气敏元件的分类，SnO2（氧化锡）是目前应用最多的一种气敏元件。