第10章--氣、濕敏傳感器分析課件

1、第十章 氣、濕敏傳感器10-1 半導(dǎo)體氣敏傳感器一、概述隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，被人們所利用的氣體原料和在生活、工業(yè)上排放出的氣體種類、數(shù)量都日益增多。這些氣體中，許多都是易燃、易爆(例如氫氣、煤礦瓦斯、天然氣、液化石油氣等)或者對于人體有毒害的(例如一氧化碳、氟里昂、氨氣等)。它們?nèi)粜孤┑娇諝庵芯蜁廴经h(huán)境，影響生態(tài)平衡，并可能會產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)及使人中毒等災(zāi)害性事故。為了確保安全，防患于未然，須對各種可燃性氣體、有毒性氣體進(jìn)行定量分析和檢測。氣敏元件就是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種器件。氣體傳感器能將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信號轉(zhuǎn)換成電信號(電流或電壓)。根據(jù)這些電信號的

2、強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況相同的有關(guān)信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警。一、概述氣體檢測方法很多，其中半導(dǎo)體氣敏傳感器具有使用方便、費(fèi)用低廉、性能穩(wěn)定、靈敏度高、可把氣體濃度轉(zhuǎn)換成電量輸出等優(yōu)點(diǎn)，故得到了廣泛應(yīng)用。(一)半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類(1)半導(dǎo)體氣敏傳感器按其物理性質(zhì)分為：表面型：利用半導(dǎo)體材料的表面吸附效應(yīng)，根據(jù)半導(dǎo)體表面電阻變化來檢測各種氣體的傳感器。體型：利用半導(dǎo)體與氣體間的相互作用，使半導(dǎo)體內(nèi)部晶格組成狀態(tài)發(fā)生變化而導(dǎo)致電導(dǎo)率變化的傳感器。一、概述(2)半導(dǎo)體氣敏傳感器按轉(zhuǎn)換形式分為：電阻式：氣體接觸半導(dǎo)體時，使其電阻值發(fā)生變化的氣敏傳感器。非電阻式：當(dāng)氣體接觸M

3、OS場效應(yīng)管或金屬-半導(dǎo)體結(jié)型二極管時，前者的閾值電壓和后者的整流特性(電容C-電壓V特性)發(fā)生變化的氣敏傳感器。(二)氣敏傳感器的材料氣敏電阻的材料不是通常的鍺或硅，而是金屬氧化物，制作上也不是通過鍺或硅摻入雜質(zhì)形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，而是通過化學(xué)計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成。金屬氧化物半導(dǎo)體分為：一、概述N型如氧化錫(SnO2)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化鋅(ZnO)，WO2等。P型如氧化鈷(CoO)、氧化鉛(PbO)、氧化銅(CuO)、NiO等。實(shí)驗(yàn)證明，在上述氧化物半導(dǎo)體材料中，摻入適量的添加物作為催化劑，如鈀(Pd)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、銀(Ag)等，可提高對某些氣體的選擇性和靈敏度。在諸

4、多半導(dǎo)體中，用SnO2制成的氣敏電阻有很多優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最為廣泛，其特點(diǎn)為：氣敏元件的阻值隨檢測氣體濃度按指數(shù)關(guān)系變化，因此適宜測量低濃度的氣體。一、概述SnO2的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定、壽命長、耐腐蝕。SnO2對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短，可連續(xù)長時間使用。元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，機(jī)械性能好。被檢測氣體濃度可通過元件電阻的變化直接轉(zhuǎn)換為電信號，且靈敏度高，因此信號處理不用放大器或不需高倍數(shù)放大電路就可實(shí)現(xiàn)。由于SnO2具有上述特點(diǎn)，因此是目前生產(chǎn)量最大，應(yīng)用范圍最廣泛的一種氣體敏感元件。本節(jié)以SnO2氣敏元件為主做以介紹。二、SnO2氣敏元件的工作原理目前采用很多種半導(dǎo)體材料制

5、備出不同結(jié)構(gòu)類型的半導(dǎo)體氣敏器件，其晶粒間界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，催化劑和添加劑在多晶氧化物半導(dǎo)體中的分布情況也是非常復(fù)雜的。又由于被測氣體對象不同，因此其工作機(jī)理也不同。對此進(jìn)行完整統(tǒng)一的解釋是比較困難的。燒結(jié)型SnO2氣敏器件是表面電阻控制型氣敏器件。制備器件的氣敏材料是N型SnO2材料晶粒形成的多孔質(zhì)燒結(jié)體，其結(jié)合模型可用圖10-1表示。在晶體組成上，錫或氧往往偏離化學(xué)計量比，在晶體中如果氧不足，將出現(xiàn)兩種情況：一是產(chǎn)生氧空位；另一種是產(chǎn)生金屬間隙原子。二、SnO2氣敏元件的工作原理根據(jù)晶粒接觸面勢壘模型和吸收效應(yīng)模型分析，其晶粒接觸界面存在電子勢壘，其接觸部(或頸部)電阻對器件電阻起支配作用。顯然

6、，這一電阻主要取決于勢壘高度和接觸部形狀，亦即主要受表面狀態(tài)和晶粒直徑大小等的影響。氧吸附在半導(dǎo)體表面時，吸附的氧分子從半導(dǎo)體SnO2表面奪取電子，形成受主型表面能級，從而使表面帶負(fù)電，成為負(fù)離子吸附，即二、SnO2氣敏元件的工作原理由于氧吸附力很強(qiáng)，因此，SnO2氣敏器件在空氣中放置時，其表面總是會有吸附氧的， 其吸附狀態(tài)可以 是 等等，均是負(fù)電荷吸附狀態(tài)，使接觸晶界電子勢壘高度升高，如圖10-2(a)電子勢壘從虛線升至實(shí)線，使SnO2表面區(qū)載流子濃度下降，器件電阻升高。二、SnO2氣敏元件的工作原理當(dāng)SnO2氣敏器件接觸還原性氣體如H2、CO等時，被測氣體則同吸附氧發(fā)生反應(yīng)，即減少了O-的

7、密度，吸附的氣體分子將向SnO2注入電子。形成正離子吸附，電子勢壘高度降低，如圖10-2(b)所示，從而器件阻值降低。根據(jù)吸附氣體產(chǎn)生能級模型分析，暴露于大氣中的N型氧化物半導(dǎo)體SnO2 。其表面總是吸附著一定量的電子施主(如氫原子)或電子受主(氧原子)，由此能組成與半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行電子交換的表面能級，并形成位于表面附近的空間電荷層。該表面能級相對于半導(dǎo)體本身費(fèi)米能級的位置，取決于被吸附氣體的親電性。二、SnO2氣敏元件的工作原理如果親電性高(即氧化性氣體)，產(chǎn)生的表面能級將位于費(fèi)米能級上方，如圖10-4(a)所示，被吸附分子從空間電荷吸取電子而成為負(fù)離子吸附在半導(dǎo)體表面，使空間電荷層寬度增加(

8、d)，勢壘高度增加()，其結(jié)果是空間電荷層內(nèi)由于電子載流子密度降低(導(dǎo)電電子減少)，電導(dǎo)率相應(yīng)減少。二、SnO2氣敏元件的工作原理如果被吸附氣體的親電性低(即還原性氣體)，如圖l0-4(b)所示，被吸附分子向空間電荷區(qū)域提供電子而成為正離子吸附在半導(dǎo)體表面，則空間電荷層寬度將減少(d)，勢壘高度降低()，空間電荷層內(nèi)由于電子載流子密度增加，使電荷層的電導(dǎo)率相應(yīng)增加。因此，通過改變氣體在半導(dǎo)體表面的濃度，空間電荷區(qū)域的電導(dǎo)率就可以得到調(diào)制。二、SnO2氣敏元件的工作原理添加增感劑(如鈀Pd)可以起催化作用，從而促進(jìn)上述反應(yīng)過程，提高器件的靈敏度。這時H2在Pd表面上分解成氫離子，然后與器件表面的

9、氧O-發(fā)生吸附反應(yīng)。增感劑作用如圖10-3 (b)所示。二、SnO2氣敏元件的工作原理由實(shí)驗(yàn)和理論分析可知：SnO2對不同氣體具有不同的氣敏效應(yīng)。吸附還原性氣體時電導(dǎo)率升高，而吸附氧化性氣體時其電導(dǎo)率降低。這種阻值變化情況如圖10-5所示。二、SnO2氣敏元件的工作原理SnO2中添加物對氣敏效應(yīng)有明顯的影響。表10-1列出了不同添加物對SnO2氣敏元件氣敏效應(yīng)的影響。二、SnO2氣敏元件的工作原理燒結(jié)溫度和加熱溫度對氣敏特性有明顯的影響。圖10-6(a)、(b)分別為燒結(jié)溫度為600oC和400oC時SnO2(添加ThO2)的氣敏特性。由圖10-6(a)可以看出，工作加熱溫度在170200oC

10、范圍內(nèi)，H2的靈敏度曲線(靈敏度用輸出電壓表示)呈拋物線狀，而對CO，改變工作加熱溫度，其靈敏度曲線則沒有多大變化。因此利用這一特性可以檢測H2。如果燒結(jié)溫度為400oC，工作加熱溫度為200oC，則對CO可進(jìn)行選擇性檢測，如圖10-6(b)所示。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)(一)結(jié)構(gòu)SnO2氣敏元件主要有燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型三種類型。燒結(jié)型SnO2氣敏元件是目前工藝最成熟、使用最廣泛的氣敏元件。燒結(jié)型SnO2氣敏元件是以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基材(粒度在1m以下)，添加不同物質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶方法，進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入測量電極和加熱絲，制成管芯，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上。在元件工作

11、時須加熱到300左右，按其加熱方式可分為直熱式和旁熱式兩種。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)直熱式SnO2氣敏元件。直熱式元件又稱內(nèi)熱式，這種元件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-7所示。元件管芯由三部分組成：SnO2基體材料，加熱絲、測量絲，它們都埋在SnO2基材內(nèi)。工作時加熱絲通電加熱，測量絲用于測量元件的阻值。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)直熱式SnO2氣敏元件的優(yōu)點(diǎn)是：制作工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高回路電壓下使用。直熱式SnO2氣敏元件的缺點(diǎn)是：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測量回路與加熱回路間沒有隔離，互相影響；加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)的熱脹冷縮，易造成接觸不良。國產(chǎn)QN型和MQ型氣敏

12、元件，日本弗加羅TGS”109型氣敏元件均屬于此類。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)旁熱式SnO2氣敏元件。這種元件結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-8所示。其管芯增加了一個陶瓷管，在管內(nèi)放進(jìn)高阻加熱絲，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂SnO2材料。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)由于測量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏元件接觸，避免了回路之間的互相影響；加上元件熱容量大，減小了環(huán)境氣氛對元件加熱溫度影響，并保持了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以，旁熱式氣敏元件穩(wěn)定性和可靠性比直熱式有所改進(jìn)。目前國產(chǎn)QMN5型和日本TGS812、813型氣敏元件均采用這種結(jié)構(gòu)。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)(二)主要性能參數(shù)固

13、有電阻R0和工作電阻RsR0表示氣敏器件在正常空氣條件下(或潔凈空氣條件下)的阻值，又稱正常電阻。Rs表示氣敏器件在一定濃度的檢測氣體中的阻值。靈敏度S通常用氣敏器件在一定濃度的檢測氣體中的阻值Rs與正?？諝庵械淖柚礡0之比表示靈敏度，即三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)由于正?？諝鈼l件難以獲得，所以，常用兩種不同濃度氣體中器件電阻之比來表示靈敏度，即另外，為了使用方便，有時用取樣電阻的輸出電壓比或輸出電壓來表示靈敏度。燒結(jié)型SnO2氣敏元件對多種可燃?xì)怏w和液體蒸氣都有敏感性，其靈敏度因氣體和液體蒸氣的不同而異。圖10-9為直熱式和旁熱式燒結(jié)型氣敏元件的靈敏度特性曲線。由圖可知：不同氣體在同一濃

14、度下的靈敏度不同；同一氣體在低濃度時元件的輸出特性曲線陡峭，而在高濃度中曲線平緩，并趨于飽和。這表明燒結(jié)型SnO2氣敏元件在低濃度氣體中的靈敏度高，器件電阻變化明顯，而在高濃度氣體中元件的電阻趨于穩(wěn)定。因此，它適宜于檢測低濃度微量氣體，如檢查可燃性氣體的泄漏、定限報警等。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)響應(yīng)時間trcs從器件接觸一定濃度的被測氣體開始到其阻值達(dá)到該濃度下穩(wěn)定阻值的時間，稱為響應(yīng)時間。它代表氣敏器件對檢測氣體的響應(yīng)速度?；謴?fù)時間trcc從元件脫離檢測氣體開始到其阻值恢復(fù)到正?？諝庵凶柚邓枰臅r間，稱為恢復(fù)時間，又稱脫附時間。實(shí)際上，常將氣敏元件阻值增量由零變化到穩(wěn)定值的63所需

15、的時間定義為響應(yīng)時間trcs，恢復(fù)時間trcc亦然。三、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)加熱電阻RH和加熱功率PH。為元件提供工作溫度的加熱器電阻稱為加熱電阻RH；氣敏元件正常工作時所需的功率稱為加熱功率PH。這兩項指標(biāo)均越小越好。四、測量電路燒結(jié)型SnO2氣敏元件基本測量電路如圖10-10所示。其中圖10-10(a)，(b)為旁熱式，圖10-10(c)為直熱式，電路均由加熱回路和測量回路兩部分組成，現(xiàn)以田10-10(a)為例說明。四、測量電路圖10-10(a)中，UH為加熱電壓用來給器件加熱，Uc為測試回路電壓，供給測量回路能量，RL為負(fù)載電阻兼作采樣電阻。從測量回路可得回路電流為則測量回路的輸

16、出電壓Uo和元件電阻Rs為五、氣敏傳感器的應(yīng)用 (一)半導(dǎo)體氣敏元件的應(yīng)用范圍半導(dǎo)體氣敏元件具有靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間短、使用壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣、最成熟的是SnO2，ZnO和r-Fe2O3等燒結(jié)型氣敏元件。氣敏元件可對某種特定的單一成分氣體，如甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2)等進(jìn)行檢測，也可對混合氣體中的某一種氣體做選擇性檢測，還可作為環(huán)境氣氛檢測，如對某種氣體含量的變化的檢測，對溫度及溫度的變化的檢測等。利用氣敏元件可以做成如下儀器。 五、氣敏傳感器的應(yīng)用檢漏儀，又稱探測器。它是利用氣敏元件的氣敏特性，將其作為氣一電轉(zhuǎn)換元件，配以相應(yīng)的

17、電路、指示儀表或聲光顯示部分而組成的。廣泛用于檢測可燃性氣體的有無及管道和容器的泄漏。報警器。當(dāng)泄漏氣體達(dá)到某一危險限值時自動進(jìn)行報警。自動控制儀器。利用氣敏元件的氣電特性進(jìn)行氣電轉(zhuǎn)換，按設(shè)定的門限值接通其它電路，對被控設(shè)備進(jìn)行自動控制，如換氣扇自動換氣控制等。五、氣敏傳感器的應(yīng)用這些儀器無實(shí)質(zhì)上的差別，都是利用氣敏元件的氣敏特性進(jìn)行氣電轉(zhuǎn)換的，只是對元件的性能參數(shù)要求不同而已。例如檢漏儀亦可實(shí)現(xiàn)報警，報警器與被控設(shè)備相接，則成為自動控制儀。這些儀器廣泛用于天然氣、煤氣、液化石油氣，一氧化碳，氫氣，氧氣、氟里昂、烷類氣體、醇 類、醚類和酮類溶劑蒸氣等的探測和檢漏、報警。既可探測上述氣體的有無，

18、又可用于容器、管 道的泄漏檢測。五、氣敏傳感器的應(yīng)用(二)應(yīng)用實(shí)例1氣體檢漏圖10-11是由QM-N5型氣敏元件和與非門電路J、壓電蜂鳴器BZ、發(fā)光二板管LED和5V電源組成的氣體檢漏儀原理圖。被檢測氣體濃度較低時，氣敏元件的阻值Rs較大，門J4輸出端為低電位，蜂鳴器BZ不通，報警指示燈LED1不亮。當(dāng)被測氣體濃度達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時，敏感元件的阻值Rs下降，門J1輸入電位增高，輸出為低電位，報警指示燈LED1點(diǎn)燃發(fā)光由門J3、J4和R3、C組成的振蕩電路使蜂鳴器斷續(xù)導(dǎo)通并發(fā)出斷續(xù)聲響進(jìn)行聲和光報警。五、氣敏傳感器的應(yīng)用2家用氣體報警器隨著氣體和液體燃料在家庭、飯店等場所的廣泛應(yīng)用，泄漏造成的災(zāi)害

19、事故不斷發(fā)生。用半導(dǎo)體氣敏元件制造的報警器，給人們帶來了安全保障。這種報警器可根據(jù)使用氣體的類別，安放于容易檢測氣體泄漏的地方。如丙烷、丁烷氣體報警器，安放于氣體源附近地板上方20cm以內(nèi)；甲烷和一氧化碳報警器，安放于氣源上方靠近天花板處。一旦泄漏的氣體達(dá)到危險濃度，便自動發(fā)出報警信號。 圖10-12是一種最簡單的家用氣體報警電路。當(dāng)室內(nèi)可燃性氣體增加時，氣敏元件TGS109的阻值Rs隨之降低，流經(jīng)回路的電流增加，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時，可直接驅(qū)動蜂鳴器報警。圖10-13為自動換氣扇電路圖，當(dāng)室內(nèi)空氣污濁時，煙霧或其它污染氣體使氣敏傳感器TGS109的阻值Rs降低，一旦空氣污染濃度達(dá)到某一數(shù)值時，由

20、于電阻Rw2的壓降增大，a點(diǎn)電位增高，晶體管T導(dǎo)通，使繼電器J線圈通電工作，常開觸點(diǎn)K2閉合，換氣扇啟動通風(fēng)換氣。10-2 濕敏傳感器一、概述濕度與溫度一樣，同生產(chǎn)和日常生活密切相關(guān)。在人們的生活環(huán)境中，如果空氣太潮濕或太干燥都會使人感到不適。為了給人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，相對濕度應(yīng)控制在5070RH的范圍內(nèi)，所以房間的空調(diào)。既要控制溫度，也要控制濕度。在國防方面，槍支彈藥、軍用儀器、武器裝備等都不能受潮，必須對軍用倉庫的溫度和濕度進(jìn)行自功檢測和控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，濕度的測控直接關(guān)系列產(chǎn)品的質(zhì)量，紡織車間、精密儀器設(shè)備(數(shù)控機(jī)床、檢測儀器、計算機(jī)等)須在一定溫度和濕度下使用。此外，濕度測控在氣

21、象預(yù)報、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè) 都有廣泛的應(yīng)用。一、概述在各類敏感器件中，濕度敏感器件的研制和應(yīng)用仍較為落后。一方面是難以獲得具有理想性能的感濕材料，另一方面是濕敏器件工作時必須直接暴露于待測的環(huán)境中，工作條件惡劣而 復(fù)雜，長期受塵埃及有害氣體的浸蝕和溫度的影響，器件的性能難以保持長期穩(wěn)定。所以目前尚無理想的濕敏傳感器。一、概述(一)濕度的表示方法濕度這一概念隨被測物質(zhì)的物理狀態(tài)不同而有著不同的含義。對氣體來講，是指空氣中含有水蒸氣的量；對固體來講，則是指物質(zhì)中所含水分的百分?jǐn)?shù)。這里主要討論氣體的濕度?？諝饪煞譃楦稍锟諝馀c潮濕空氣兩類。理想狀態(tài)的干燥空氣只含有約78%的氮?dú)狻?1%的氧和約占

22、1%的其它氣體成分，而不含水蒸氣。如果把潮濕空氣看成是理想氣體與水蒸氣的混合氣體。那么它應(yīng)符合多爾頓分壓定律，即潮濕空氣的總壓應(yīng)等于該混合氣體中各種氣體分壓之和。所以，設(shè)法測量空氣中水蒸氣的分壓，也就等于測出了空氣的濕度。由于水蒸氣分壓目前還無法測量。故常用如下一些參數(shù)表征氣體的濕度。一、概述質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為M的混合氣體中，若含有水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為體積為V的混合氣體中，若含有水蒸氣的體積為v，則體積百分比為這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。一、概述相對濕度和絕對濕度水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓p，而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所

23、含水蒸氣壓的最大值ps，溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度，這是一個無量綱量，記作%RH，即實(shí)際應(yīng)用中，大多使用相對濕度。絕對濕度表示單位體積的空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，記作AH，即一、概述露(霜)點(diǎn)在一定的溫度下，空氣中所能容納的水蒸氣含量是一定的，超過這個限量，多余的水蒸氣就要從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)為露珠，即所謂結(jié)露。保持壓力不變而降低待測氣體的溫度，氣體中水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)時開始結(jié)露，這時的溫度稱為這種氣體的露點(diǎn)，常用溫度單位表示。含水蒸氣量越少，使其飽和而結(jié)露所要求的溫度(露點(diǎn))越低，反之亦然。因此露點(diǎn)可以表示氣體中含水量(濕度)的大小。露

24、點(diǎn)與相對濕度有對應(yīng)關(guān)系，圖10-14表示了溫度相對濕度露點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。一、概述(二)濕敏傳感器的分類濕敏傳感器是能把外界濕度信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。濕敏傳感器的分類方法很多。按與水分子的親合力關(guān)系可分為水分子親合力型和非水分子親合力型。水分子親合力型是利用水分子有較大的偶極矩，易于吸附并滲入固體表面內(nèi)的特點(diǎn)所制成的濕敏傳感器，如陶瓷濕敏元件，高分子和電解質(zhì)濕敏元件等；另一類濕敏傳感器與水分子的親合力毫無關(guān)系，稱為非水分子親合力型濕敏傳感器，如熱敏電阻式、紅外線吸收式、微波式濕敏傳感器。按濕敏傳感器測試功能可分為：相對濕度、絕對濕度、結(jié)露和多功能傳感器；按檢測方式可分為：電阻、電容，變色和露點(diǎn)濕

25、敏傳感器；依據(jù)濕敏材料可分為：電解質(zhì)、高分子、陶瓷、半導(dǎo)體和復(fù)合材料濕敏傳感器；按元件的結(jié)構(gòu)分為：體型、厚膜型、薄膜型濕敏傳感器；按其量程可分為；低濕型(0.530RH)、中濕型(3070RH)、高濕型(10100RH)和全濕型(0100RH)濕敏傳感器；按照工作溫度范圍，又可分為低溫(0)、中溫(080)，高溫(80以上)濕敏傳感器。目前，使用ZrO2MgO陶瓷濕度傳感器可測600左右環(huán)境的濕度。二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件是由兩種以上氧化物餛合燒結(jié)而成的多孔材料。主要包括MgCr2O4TiO2系、TiO2V2O5系、ZnCr2O4LiZnVO4系、ZrO2MgO系陶瓷。金屬氧化

26、物構(gòu)成的多孔陶瓷吸收水分子后，其電阻、電容等性能發(fā)生變化。它具有工作范圍寬，可檢測到lRH的低濕狀態(tài)以及響應(yīng)速度快、測量精度高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。所以在生產(chǎn)和應(yīng)用中占有很重要的地位。二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件(一)結(jié)構(gòu)原理燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷多系金屬氧化物材料，一般為多孔結(jié)構(gòu)的多晶體，在其形成過程中伴隨有半導(dǎo)化過程。其半導(dǎo)化過程通常是通過調(diào)整配方，進(jìn)行摻雜，或通過控制燒結(jié)氣氛有意造成氧元素過剩或不足而得以實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)化過程的結(jié)果，使晶粒中產(chǎn)生了大量的載流子電子或空穴。這樣，一方面使晶粒體內(nèi)的電阻率降低。另一方面又在晶粒之間的界面處形成界面電子勢壘，使晶粒界面的電阻率遠(yuǎn)大于晶粒體內(nèi)的電

27、阻率，而成為半導(dǎo)體陶瓷材料在通電狀態(tài)下電阻的主要部分。濕敏半導(dǎo)體陶瓷材料正是由于水分子在其表面和晶粒界面間的吸收所引起的表面和晶粒界面處電阻率的變化，才具有濕敏特性的。大多數(shù)半導(dǎo)體陶瓷屬于負(fù)感濕特性的半導(dǎo)體陶瓷，其阻值隨環(huán)境(空氣)濕度的增加而減小。二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料的多孔結(jié)構(gòu)，使各晶粒之間帶有一定的空隙，呈多孔毛細(xì)管狀。因此，水分子可以通過陶瓷材料中的細(xì)孔，在各晶粒表面和晶粒間界上吸附，并在晶粒間界處凝聚。材料的細(xì)孔孔徑越小，則水分子越容易凝聚，因此，這種凝聚現(xiàn)象就容易發(fā)生在各晶粒間界的頸部部位。晶粒間界的頸部接觸電阻是陶瓷整體電阻的主要部分，水分在該部位的凝聚，

28、可離解出大量導(dǎo)電的離子，這些離子在水吸附層中就如同電解質(zhì)溶液中的導(dǎo)電離子一樣，擔(dān)負(fù)著電荷運(yùn)輸任務(wù)，其結(jié)果必將引起晶粒間界處接觸電阻明顯地下降。當(dāng)環(huán)境濕度增加時，材料的電阻值也隨之下降。二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷具有多孔性結(jié)構(gòu)，其氣孔率為2540，氣孔平均直徑約在100300nm范圍內(nèi)。與致密陶瓷相比，多孔陶瓷的表面積顯著增大，故其吸濕性強(qiáng)。將其厚度減薄，則可在較短時間內(nèi)達(dá)到吸濕、脫濕的平衡狀態(tài)，具有使用范圍寬，濕度溫度系數(shù)小、響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件的結(jié)構(gòu)，如圖所示。在4mm5mm0.2mm的MgCr2O4TiO2陶瓷片的兩面，設(shè)置

29、多孔金電極，用引出線與金電極相連。在半導(dǎo)體陶瓷片的外面，安放一個由鎳鉻絲繞制而成的加熱清洗線圈，以便對元件經(jīng)常進(jìn)行加熱清洗，排除有害氣氛對元件的污染，這也是此類濕敏元件的特點(diǎn)。元件安裝在一種高度致密的、疏水性的陶瓷底座上。為清除底座上測量電極(元件引線)之間由于吸濕和沾污而引起的漏電，在兩引線四周設(shè)置了短路環(huán)。二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件(二)性能參數(shù)濕敏特性即濕敏元件的電阻(感濕特征量，如電阻、電容、電流密度等)與相對濕度的關(guān)系。MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件的濕敏特性如圖10-16所示。由圖可知濕敏元件的感濕下限可達(dá)1RH，所以用它可檢測整個相對濕度范圍，環(huán)境濕度在1100RH范圍內(nèi)，

30、元件的阻值變化為104108。加熱清洗特性濕敏元件大都在較惡劣的氣氛中工作，環(huán)境中的油霧、粉塵以及各種有害氣體在元件上的吸附，必將導(dǎo)致器件有效感濕表面積的減小，使元件感濕性能退化，精度下降。為此，在使用過程中，通過對元件進(jìn)行加熱清洗的方法恢復(fù)其對水汽的吸附能力。MgCr2O4TiO2濕敏元件的清洗特性如圖10-17所示。從A點(diǎn)開始通電加熱，到B點(diǎn)斷電，加熱時間10s，加熱溫度在400500，加熱后器件的阻值約在200s后即可恢復(fù)到初始值二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件元件的性能指標(biāo)(1)濕度量程。濕敏元件能夠正常工作時，所允許的相對濕度變化范圍理想量程為1100RH。(2)工作溫度。在此溫度范圍內(nèi)，元件的阻值不隨溫度變化或變化很小。(3)靈敏度。指一定溫度下濕敏元件阻值的變化量(R2-R1)