氣敏濕敏傳感器課件

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第二講氣敏濕敏傳感器一、氣敏傳感器二、濕敏傳感器河第二講氣敏濕敏傳感器一、氣敏傳感器氣敏傳感器可以識(shí)別氣體的種類，測(cè)量氣體的量，多用于檢測(cè)氣體中所含某種特定氣體的成分，將其變成電信號(hào)。一、氣敏傳感器

氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。1、半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作機(jī)理：氣敏傳感器可以識(shí)別氣體的種類，測(cè)量氣體的量，多半導(dǎo)體氣敏傳感器的類型可分電阻型和非電阻型兩大類。電阻型有表面電阻型如氧化錫（SnO2）、氧化鋅（ZnO）等和體電阻型（Fe2O3）系列；非電阻型有MOS場(chǎng)效應(yīng)管型、二極管型（表面電流型——?dú)涿魝鞲衅鳎┖凸腆w電解質(zhì)型。

2、半導(dǎo)體氣敏傳感器分類：按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或?yàn)R射方法,在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1μm以下）,構(gòu)成薄膜型氣敏元件。半導(dǎo)體氣敏傳感器的類型可分電阻型和非電阻型兩大類。電厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。

工藝最成熟的是燒結(jié)型的。燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件,它的加熱溫度較低,一般在200～300℃,SnO2氣敏半導(dǎo)體對(duì)許多可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定燒結(jié)型氣體傳感器的加熱方式分為直熱式和間熱式兩種,其結(jié)構(gòu)與符號(hào)如圖4-2-1、4-2-2所示。A、燒結(jié)型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)與符號(hào)圖4-2-1直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào)1、2、3、4為熱子兼電極

直熱式的加熱絲兼作電極。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗??；但熱容量小，易受環(huán)境氣流影響；因加熱絲熱脹冷縮，易使之與材料接觸不良；在測(cè)量電路中，信號(hào)電路和加熱電路相互干擾。燒結(jié)型氣體傳感器的加熱方式分為直熱式和間熱式兩種,A、燒結(jié)型圖4-2-2間熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1、2，3、4—直熱式熱子兼電極2、5—間熱式熱子1、3，4、6—間熱式電極7—SnO2燒結(jié)體8—絕緣瓷管間熱式的加熱絲與電極分立，加熱絲插入陶瓷管內(nèi)，管外壁上涂制梳狀金電極，最外層則為SnO2燒結(jié)體。它克服了直熱式的缺點(diǎn)，有較好的穩(wěn)定性。圖4-2-2間熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)間熱B、燒結(jié)型氣體傳感器的工作特性在檢測(cè)前，材料表面原已吸著氧，所以對(duì)可燃性氣體更敏感。最佳工作溫度一般多在200～500℃范圍內(nèi)。為使傳感器能在這樣高的溫度范圍穩(wěn)定工作，具有高溫穩(wěn)定性的半導(dǎo)體材料只有金屬氧化物，常見的是SnO2和ZnO。遇H2、CO、碳?xì)浠衔锏?還原性即可燃性)氣體，材料表面層電阻率減小；遇O2等氧化性氣體時(shí)，材料表面層電阻率增大。1)氣敏特性B、燒結(jié)型氣體傳感器的工作特性在檢測(cè)前，材料表面原已2)溫濕度特性SnO2傳感器的阻值隨溫度、濕度上升而有規(guī)律地減小。因此除盡量保持恒溫、恒濕外，其有效措施是選用溫濕度特性好的氣敏元件及在電路中進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。3)初期恢復(fù)特性及初期穩(wěn)定特性經(jīng)短期存放再通電時(shí)，傳感器電阻值有短暫的急劇變化（減?。@一特性稱為初期恢復(fù)特性，它與元件種類、存放時(shí)間及存放環(huán)境有關(guān)。存放時(shí)間愈長，初期恢復(fù)時(shí)間亦愈長，存放7天到15天后的初期恢復(fù)時(shí)間一般約在2～5min之內(nèi)。當(dāng)長期存放后再通電時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)傳感器阻值一般高出正常值20％左右，而以后慢慢恢復(fù)至正常穩(wěn)定值，這一特性亦稱作初期穩(wěn)定特性。2)溫濕度特性SnO2傳感器的阻值隨溫度、濕度上升而C、體電阻控制型氣敏傳感器1)Fe2O3系列

Fe2O3系列現(xiàn)有α-Fe2O3和γ-Fe2O3。主要檢測(cè)液化石油氣、煤氣和天然氣。α-Fe2O3對(duì)水蒸氣和乙醇不靈敏，特別適合做家庭可燃?xì)鈭?bào)警器。2)氧氣傳感器

Nb2O5對(duì)氧氣敏感。用其制成氧傳感器檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和鍋爐等所排廢氣中的氧氣分壓強(qiáng)，以控制其最佳燃燒狀態(tài)，以達(dá)節(jié)能目的。C、體電阻控制型氣敏傳感器1)Fe2O3系列2)氧氣傳感器氣敏元件外形

酒精傳感器

其他可燃性氣體傳感器氣敏元件外形酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器酒精傳感器的選擇性酒精傳感器的選擇性一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器NH3傳感器甲烷傳感器NH3傳感器甲烷傳感器3、氣敏傳感器的應(yīng)用圖4-2-3防止酒后開車控制器原理圖3、氣敏傳感器的應(yīng)用圖4-2-3防止酒后開車控制器原理圖圖中QM-J1為酒敏元件。若司機(jī)沒喝酒，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時(shí)氣敏器件的阻值很高，Ua為高電平，U1為低電平，U3為高電平，繼電器K2線圈失電，其常閉觸點(diǎn)K2-2閉合，發(fā)光二極管VD1通，發(fā)綠光，能點(diǎn)火起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

若司機(jī)酗酒，氣敏器件的阻值急劇下降，使Ua為低電平，U1為高電平，U3為為低電平，繼電器K2線圈通電，K2-2常開觸頭閉合，發(fā)光二極管VD2通，發(fā)紅光，以示警告，同時(shí)常閉觸點(diǎn)K2-1斷開，無法起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

若司機(jī)拔出氣敏器件，繼電器K1線圈失電，其常開觸電K1-1斷開，仍然無法起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。常閉觸電K1-2的作用是長期加熱氣敏器件，保證此控制器處于準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。圖中QM-J1為酒敏元件。若司機(jī)沒喝酒，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S家用有毒氣體探測(cè)報(bào)警器

一氧化碳、液化氣、甲烷、丙烷都是有毒可燃?xì)怏w，當(dāng)空氣中達(dá)到一定濃度時(shí)，將危及人的健康與安全。本電路線路簡單，但具有很高的靈敏度，對(duì)探測(cè)上述有毒氣體是行之有效的。圖4-2-4有毒氣體探測(cè)報(bào)警電路家用有毒氣體探測(cè)報(bào)警器一氧化碳、液化當(dāng)空氣中有毒氣體濃度下降至使A、K兩點(diǎn)間恢復(fù)高阻時(shí)，K點(diǎn)電位低于1.4V，U850截止，報(bào)警解除。圖4-2-4所示電路為探測(cè)報(bào)警電路。用QM--N10氣敏傳感器作為探測(cè)頭，它是一種新型的低功耗、高靈敏度的氣敏元件。和其他氣敏傳感器一樣，QM--N10也有一個(gè)加熱絲和一對(duì)探測(cè)電極，它是用半導(dǎo)體N型材料制成的。當(dāng)空氣不含有毒氣體時(shí)，A、K兩點(diǎn)間的電阻很大，流過RP的電流很小，K點(diǎn)為低電位，達(dá)林頓管U850不導(dǎo)通；當(dāng)空氣中含有還原性氣體時(shí)(如上述有毒氣體)，A、K兩點(diǎn)間的電阻迅速下降，通過RP的電流增大，K點(diǎn)電位升高，向C2充電直至達(dá)到U850導(dǎo)通電位(約1.4V)時(shí)，U850導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)發(fā)聲集成片KD9561發(fā)聲。圖4-2-4所示電路為探測(cè)報(bào)警電路。用QM--N10二、濕敏傳感器絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。相對(duì)濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，稱飽和狀態(tài)。1、濕度的相關(guān)概念二、濕敏傳感器絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大2、濕度檢測(cè)方法濕度檢測(cè)的方法可分為四類：毛發(fā)濕度計(jì)法，干濕球濕度計(jì)法，露點(diǎn)計(jì)法，阻容式濕度計(jì)法。其中干濕球濕度計(jì)與露點(diǎn)計(jì)的時(shí)效小，可用于高精度測(cè)量，但體積大，響應(yīng)速度低，無電信號(hào)，不能用于遙測(cè)及濕度自動(dòng)控制。阻容式濕度傳感器體積小、響應(yīng)速度快，便于把濕度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，但穩(wěn)定性差，不耐SO2的腐蝕。

2、濕度檢測(cè)方法濕度檢測(cè)的方法可分為四類：毛發(fā)濕度計(jì)1）干濕球濕度計(jì)外形

干濕球濕度計(jì)外形干球濕球1）干濕球濕度計(jì)外形干濕球濕度計(jì)外形干球濕球

左邊的玻璃溫度計(jì)（濕球）用濕棉球包裹，并浸沒在水槽里。濕棉球由于水份蒸發(fā)，所以其溫度低于室溫，致使?jié)袂虻氖局档陀诟汕颉２閷?duì)應(yīng)的濕度表就可知道空氣的相對(duì)濕度。雖然干濕球濕度計(jì)的歷史悠久，但現(xiàn)在還經(jīng)常用它作為電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器。2）干濕球濕度計(jì)原理：左邊的玻璃溫度計(jì)（濕球）用濕棉球包裹，并浸3、陶瓷濕敏傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷為多孔結(jié)構(gòu)材料，吸附水蒸氣能力強(qiáng)且靈敏度高；物理化學(xué)性能穩(wěn)定；響應(yīng)速度快；可加熱清洗，有利于在惡劣環(huán)境下工作；工作范圍寬且兼有熱敏和氣敏特性，可制成多功能敏感元件；生產(chǎn)工藝簡單，成本低，是制作濕度傳感器的理想材料。主要缺點(diǎn)是：材料固有電阻大，高溫性能不夠穩(wěn)定，難以集成化等。一般金屬半導(dǎo)體氧化物陶瓷，如MgCr2O4-TiO2等，具有感濕負(fù)特性，濕度增大，電阻減小。過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷，如Fe3O4等，具有感濕正特性。

3、陶瓷濕敏傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷為多孔1）濕敏傳感器的分類1）濕敏傳感器的分類圖4-2-5MgCr2O4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構(gòu)與濕度特性a)結(jié)構(gòu)b)特性1—康塔爾加熱絲2—底座3—杜美絲引線4—引線環(huán)電極5—濕敏陶瓷6—RuO2電極2）幾種濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性用P型半導(dǎo)體MgCr２O4及N型半導(dǎo)體TiO２粉粒為原料,配比混合，燒結(jié)成復(fù)合型半導(dǎo)體陶瓷。當(dāng)水分子吸附在表面時(shí)，其表面電阻明顯下降。圖4-2-5MgCr2O4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構(gòu)與濕度在片狀多孔陶瓷的兩表面燒結(jié)多孔金屬電極模，焊接鉑銠引線，封裝于帶篩網(wǎng)孔的方形塑料外殼內(nèi)。這種傳感器不須用加熱器，只需0.5mW的微小功率即可使用。已廣泛應(yīng)用于輕紡、食品加工、倉庫管理、環(huán)境保護(hù)、家用電器等許多領(lǐng)域。圖4-2-6ZnO-ZnCr2O4陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)1為網(wǎng)眼過濾器，2為塑料外殼，3為陶瓷元件，4為多孔電極，5為元件支架，6為電極引線，7為玻璃固定部分，8為密封，9為樹脂密封，10為端子。在片狀多孔陶瓷的兩表面燒結(jié)多孔金屬電極模，焊接鉑銠引3）濕敏傳感器的使用A．電源選擇濕敏電阻必須工作于交流回路中。若用直流供電，會(huì)引起多孔陶瓷表面結(jié)構(gòu)改變，濕敏特性變劣。采用交流電源頻率過高，將由于元件的附加容抗而影響測(cè)濕靈敏度和準(zhǔn)確性，因此應(yīng)以不產(chǎn)生正、負(fù)離子積聚為原則，使電源頻率盡可能低。對(duì)離子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率應(yīng)大于50Hz，一般以1KHz為宜。對(duì)電子導(dǎo)電型，電源頻率應(yīng)低于50Hz。3）濕敏傳感器的使用A．電源選擇濕敏電阻必須工作于交流回Ｂ．線性化一般濕敏元件的特性均為非線性，應(yīng)用中應(yīng)將其線性化。Ｃ．溫度補(bǔ)償通常氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻濕度溫度系數(shù)為0.1～0.3，故在測(cè)濕精度要求高的情況下必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。Ｄ．測(cè)濕范圍電阻式濕敏元件在溫度超過95％RH時(shí)，濕敏膜因濕潤溶解，厚度會(huì)發(fā)生變化，若反復(fù)結(jié)露與潮解，特性變壞而不能復(fù)原。電容式傳感器在8O％RH以上高濕及100％RH以上結(jié)露或潮解狀態(tài)下，也難以檢測(cè)。另外，切勿將濕敏電容直接浸入水中或長期用于結(jié)露狀態(tài)，也不要用手摸或嘴吹其表面。Ｂ．線性化一般濕敏元件的特性均為非線性，應(yīng)用中應(yīng)將其線性Ｅ．阻容值的測(cè)量測(cè)量濕度傳感器阻值Rp和容值Cp的三種電路如圖4-2-7所示。圖4-2-7a為低頻交流供電，其中R0選值遠(yuǎn)大于Rp,限制電流為微安級(jí)且恒定，輸出電壓與Rp成正比。圖4-2-7低頻交流電源測(cè)RPＥ．阻容值的測(cè)量測(cè)量濕度傳感器阻值Rp和容值Cp的三種電路如為了提高靈敏度而又限制溫升，可采用圖b所示的低頻脈沖供電，電路中采用溫度常數(shù)與Rp溫度系數(shù)相等的熱敏電阻Rt作采樣電阻，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。圖c為電容值測(cè)量電路，當(dāng)電源信號(hào)頻率很高時(shí)，Rp的影響可忽略，Cp＝CFU0／Ui。圖4-2-7b）低頻脈沖電源測(cè)RPc)高頻電源測(cè)RP為了提高靈敏度而又限制溫升，可采用圖b所示的低頻脈沖陶瓷元件的加熱去污應(yīng)切實(shí)控制在450℃。它利用元件的溫度特性進(jìn)行溫度的檢測(cè)和控制。當(dāng)溫度達(dá)到450℃即中斷加熱，但由于未加熱前元件吸附有水分，突然加熱會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)于450℃時(shí)的阻值，而實(shí)