中南大學(xué)傳感與檢測(cè)pptch化學(xué)傳感器

第13章化學(xué)傳感器13.0化學(xué)傳感器概述1）相關(guān)概念定義：化學(xué)傳感器是能將各種化學(xué)物質(zhì)的狀態(tài)或變化定性或定量轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)輸出的裝置；它以化學(xué)物質(zhì)成分(類別和含量)為檢測(cè)參數(shù)。原理：利用敏感材料與被測(cè)物中的分子、離子或生物物質(zhì)接觸時(shí)引起的電極電勢(shì)、表面化學(xué)勢(shì)的變化或發(fā)生的表面化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，由此直接或間接地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。特殊性：其機(jī)理比物理傳感器的復(fù)雜，特別是在許多化學(xué)物質(zhì)中選擇性地檢測(cè)出某種特定物質(zhì)較為困難。趨勢(shì)：一方面對(duì)化學(xué)傳感器的需求越來(lái)越大，另一方面，信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，加速了化學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步，使具有高選擇性、高靈敏度、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)的化學(xué)傳感器得以出現(xiàn)，從而使有限的人類的化學(xué)感覺(jué)在廣度和深度上得到了更大延伸。13.0化學(xué)傳感器概述2）化學(xué)傳感器的構(gòu)成與分類構(gòu)成：一般由化學(xué)敏感層(接收器)和物理轉(zhuǎn)換器(換能器)組成。敏感層的作用是與目標(biāo)分析物發(fā)生相互作用，如圖所示，被測(cè)化學(xué)物先與敏感膜發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換器將上述相互作用轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些轉(zhuǎn)換器通常就是物理量傳感器。分類：根據(jù)所用的信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)分為電化學(xué)、光化學(xué)、質(zhì)量化學(xué)和熱化學(xué)等四類傳感器。

化學(xué)傳感器往往類比于人類的嗅覺(jué)和味覺(jué)，因此，化學(xué)傳

感器以氣敏傳感器、離子敏傳感器為主。13.1氣敏傳感器13.1.1氣體傳感器概述氣體傳感器：指能感受氣體(組分、分壓)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，主要利用物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)等工作。需求：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)易燃、易爆、有毒、有害氣體的及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)要求，從傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到人們的生活和工作環(huán)境。對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和對(duì)食品及環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都對(duì)氣體傳感器提出了更高要求。用途：主要是測(cè)量氣體的類別、濃度及成分。種類：按氣敏特性分類，主要有半導(dǎo)體(電阻型和非電阻型)氣敏傳感器、電化學(xué)式(恒電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質(zhì))氣體傳感器以及熱傳導(dǎo)型(接觸燃燒式)、光化學(xué)型(光干涉式、紅外線吸收式)等氣體傳感器。13.1.1氣體傳感器概述半導(dǎo)體氣敏傳感器是簡(jiǎn)單實(shí)用的氣體傳感器。其中，電阻型利用氣敏元件電阻值的改變反映被測(cè)氣體濃度；非電阻型則利用半導(dǎo)體的功函數(shù)對(duì)氣體的濃度進(jìn)行直接或間接測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，氣敏傳感器應(yīng)滿足：（1）具有小的交叉靈敏度，即對(duì)被測(cè)氣體以外的其他氣體不敏感。（2）具有較高的靈敏度和較寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。（3）性能穩(wěn)定，傳感器特性不隨環(huán)境溫度、濕度的變化而發(fā)生變化。（4）重復(fù)性好，易于維護(hù)等。13.1.2氣敏傳感器的工作機(jī)理1）半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理基于氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化。當(dāng)敏感元件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子在表面自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體吸附和滲透特性)時(shí)，吸附分子從器件奪得電子變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向器件釋放電子，形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。

13.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作機(jī)理1）半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體載流子減少，電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，載流子增多，半導(dǎo)體電阻值下降。如圖所示，氣體接觸N型半導(dǎo)體所致器件阻值變化情況。由于空氣中的含氧量大體恒定，因此氧的吸附量恒定，器件阻值相對(duì)固定。若氣體濃度變化，其阻值將變化。據(jù)此特性，可從阻值變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)一般不超過(guò)1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。

13.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作機(jī)理2）非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理

這種傳感器主要有結(jié)型和MOSFET型。其工作機(jī)理可用半導(dǎo)體導(dǎo)電特性來(lái)解釋，即MOS二極管的電容—電壓特性或者M(jìn)OSFET的閾值電壓是隨所敏感的氣體的成分和濃度的變化而改變的。13.1.3半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要參數(shù)1）敏感元件固有電阻R0和工作電阻RS

R0：電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值；RS：電阻型氣敏元件在一定濃度的被測(cè)氣體中的電阻值。2）靈敏度氣敏傳感器的靈敏度表征其對(duì)被測(cè)氣體敏感程度。通常用氣敏元件在檢測(cè)某一濃度氣體時(shí)的電阻值與其在潔凈空氣中的電阻值之比來(lái)表示。由于潔凈空氣不易獲得，通常采用同種氣體在不同濃度下的電阻值之比來(lái)表示，即式中，RS(c2)—檢測(cè)氣體為S，其濃度為c2時(shí)元件的電阻值；RS(c1)—檢測(cè)氣體為S，其濃度為c1時(shí)元件的電阻值。13.1.3半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要參數(shù)3）選擇性氣敏傳感器的選擇性表示氣體傳感器對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力，其表示方法為

式中，SA/B—在A、B混合氣體中，傳感器對(duì)A的選擇性系數(shù)KA—?dú)怏w傳感器在單純A氣體中的靈敏度；KB—?dú)怏w傳感器在單純B氣體中的靈敏度。4）響應(yīng)時(shí)間從氣敏元件與被測(cè)氣體接觸到氣敏元件阻值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值(90%)所需的時(shí)間，表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。5）恢復(fù)時(shí)間從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體脫離時(shí)刻到其阻值回復(fù)到處于清潔空氣中的阻值(90%)所需的時(shí)間，表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的脫附速度，又稱脫附時(shí)間。13.1.3半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要參數(shù)6）加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用PH表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。7）初期穩(wěn)定時(shí)間非工作狀態(tài)下長(zhǎng)期存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)變化，在上電后,隨元件溫度升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使元件恢復(fù)正常工作狀態(tài)需要一定的時(shí)間。一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間,稱為初期穩(wěn)定時(shí)間。13.1.4半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)主要有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型：如右圖所示，以SnO2為基材，添加不同雜質(zhì)，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用陶瓷燒結(jié)法制成。特點(diǎn)：一致性差、機(jī)械強(qiáng)度不高，價(jià)廉、壽命長(zhǎng)。薄膜型：傳感器結(jié)構(gòu)如右下圖所示，它是采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝制作。厚膜型：如下圖所示，由厚膜膠燒結(jié)成。13.1.4半導(dǎo)體氣敏傳感器的特性由半導(dǎo)體氣敏傳感器的電阻變化率與氣體濃度變化的關(guān)系可知，通常氣敏器件在低濃度下靈敏度高，隨著被測(cè)氣體濃度增加，其靈敏度逐漸減小，這一特點(diǎn)非常適宜檢測(cè)低濃度微量氣體。因此，其主要用于檢查可燃性氣體的泄漏。提高選擇性和靈敏度的措施：在基體材料中添加貴金屬或其氧化物催化劑能提高靈敏度并改善選擇性；利用工作溫度對(duì)靈敏度的影響也可提高選擇性。13.1.4半導(dǎo)體氣敏傳感器的特性氣敏傳感器易受環(huán)境溫度、濕度的影響如圖所示，通常在使用時(shí)，要進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償，或選用溫濕度性能好的氣敏器件。13.1.5非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器類型：主要有MOS二極管氣敏器件和鈀(Pd)-MOSFET氣敏器件兩種。MOS二極管氣敏器件結(jié)構(gòu)如圖a。1)MOS二極管氣敏器件元件是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚50~100nm的SiO2層，然后在其上蒸發(fā)一層鈀(Pd)薄膜作為柵電極，如圖(a)所示,其等效電路如圖(b)所示。SiO2層電容Ca固定，Si和SiO2界面電容是外加電壓的函數(shù)，總電容C也是柵偏壓的函數(shù)，其關(guān)系稱為該類MOS管的C-U特性。

Pd對(duì)H2特別敏感，當(dāng)Pd吸附H2后，使功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的C-U特性向負(fù)偏壓方向平移，據(jù)此可測(cè)H2濃度。13.1.5非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器2)Pd-MOSFET氣敏器件氫氣敏MOSFET是一種最典型的氣敏器件，它用金屬鈀(Pd)薄膜取代Al膜作為MOSFET的柵電極(鈀柵)。鈀對(duì)H2的吸附能力極強(qiáng)，H2在鈀上的吸附導(dǎo)致鈀的功函數(shù)降低。在含氫氣的氣氛中，鈀的催化作用使H2分解成氫原子擴(kuò)散到鈀與SiO2的界面，最終導(dǎo)致MOSFET的閾值電壓UT發(fā)生變化(UT與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差有關(guān))。使用時(shí)常將柵漏短接，可保證MOSFET工作在飽和區(qū)，此時(shí)的漏極電流ID=(UGS-UT)2，利用此電路可測(cè)出H2的濃度。目前大多只作氫氣檢漏器使用。

13.1.6氣敏傳感器的應(yīng)用1）應(yīng)用電路(1)電源電路一般氣敏元件的工作電壓不高(3V～10V)，但必須穩(wěn)定，特別是對(duì)于供給加熱的電壓。否則導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過(guò)大，使元件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。(2)輔助電路由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。一般，采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。13.1.6氣敏傳感器的應(yīng)用1）應(yīng)用電路帶溫度補(bǔ)償?shù)臍饷魝鞲衅麟娐肥纠?

環(huán)境溫度降低時(shí)，負(fù)溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。(3)檢測(cè)工作電路

氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分(參見上圖)。隨環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件阻值下降到一定值后，SCR被觸發(fā)使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)信號(hào)。BZ~U氣敏傳感器氖管蜂鳴器NTC電阻WR1R2R3R4R5R6SCR13.1.6氣敏傳感器的應(yīng)用2)應(yīng)用氣敏傳感器可用于檢測(cè)環(huán)境中某種特定氣體（特別中可燃?xì)怏w）的成分、濃度等。下圖是一種毒氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警電路圖。13.2濕敏傳感器13.2.1濕度的表示方法通常，濕度是指大氣中所含的水蒸氣量，常用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度表示。絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，即式中，M—待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量；V—待測(cè)空氣總體積；Ρv—待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度。相對(duì)濕度：空氣中實(shí)際所含水蒸氣分壓Pv和相同溫度下的飽和水蒸氣分壓Pw的百分比，常用%RH(相對(duì)濕度)表示，即注：水蒸氣壓—在一定溫度條件下，混合氣體中的水蒸氣分壓(p)。飽和蒸氣壓—同一溫度下混合氣體所含水蒸氣壓的最大值(ps)，溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。13.2.2濕敏傳感器的特性參數(shù)

濕敏傳感器將濕度轉(zhuǎn)換為與其成比例的電量，其特性參數(shù)主要有濕度量程、感濕特性、靈敏度、濕度溫度系數(shù)、響應(yīng)時(shí)間、濕滯回差等。(1)濕度量程:

指在規(guī)定的精度內(nèi)能夠測(cè)量的最大濕度范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度(0~100)％RH表示。實(shí)際中有些傳感器達(dá)不到0~100%的范圍。(2)感濕特性：濕敏傳感器的感濕特征量(例如電阻)隨被測(cè)相對(duì)濕度變化的規(guī)律。以電阻為例，在規(guī)定工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線稱為阻濕特性。一般可從感濕特性曲線確定濕敏傳感器的靈敏度和最佳工作范圍。濕敏器件的阻值隨濕度增加而增大的稱為正特性濕敏電阻，如Fe3O4濕敏電阻。阻值隨濕度增加而減小的稱為負(fù)特性濕敏電阻，如TiO2-SnO2陶瓷濕敏電阻器。13.2.2濕敏傳感器的特性參數(shù)(3)靈敏度：濕度傳感器輸出增量與輸入增量之比，它反映被測(cè)濕度作單位變化時(shí)所引起的感濕特征量的變化程度。(4)濕度溫度系數(shù)：在感濕特征量保持不變的條件下，環(huán)境相對(duì)濕度隨環(huán)境溫度的變化率。它通用用表示，即(5)響應(yīng)時(shí)間：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由起始相對(duì)濕度達(dá)到穩(wěn)定相對(duì)濕度時(shí)，感濕特征量由起始值變化到穩(wěn)定相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)值所需要的時(shí)間。

相對(duì)濕度/%H1H2H2RT2T225℃電阻型器件濕度溫度系數(shù)示意圖13.2.2濕敏傳感器的特性參數(shù)(6)濕滯回線和濕滯回差:

指濕敏傳感器的吸濕特性曲線與脫濕特性曲線不一致而形成回線（如圖）。濕滯曲線表示傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下，對(duì)應(yīng)同一數(shù)值的感濕特征量所指示相對(duì)濕度不一致，最大差值稱為濕滯回差。(7)

電壓特性*：用濕度傳感器測(cè)濕度時(shí)，所加測(cè)試電壓不能是直流電壓。因直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子電解，使電導(dǎo)率隨時(shí)間增加而下降，故測(cè)試電壓采用交流電壓。(8)頻率特性*：在高濕時(shí)，外加測(cè)試電壓頻率對(duì)阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。由于不能使用直流電，測(cè)試電壓頻率也不能太低。13.2.3半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻是由不同類型的金屬氧化物材料燒結(jié)而成，常見的有ZnO-Li2O-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-CrO3系和Fe3O4等。其中，前三種的電阻率隨濕度增加而下降—稱為負(fù)濕敏特性；Fe3O4系的電阻率隨著濕度增加而增加—稱為正濕敏特性。下圖所示分別為不同材料的半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻的負(fù)濕敏特性和正濕敏特性(非線性!)。負(fù)特性的感濕機(jī)理：吸附的水分子俘獲電子，使表面電勢(shì)下降、更多空穴到達(dá)表面使表層電阻下降。正特性的感濕機(jī)理：水分子吸附致表層電子濃度下降，但還以電子導(dǎo)電為主。半導(dǎo)瓷濕敏電阻的正濕敏特性

半導(dǎo)瓷濕敏電阻的負(fù)濕敏特性

13.2.4常用半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻優(yōu)點(diǎn)：有較好的熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗污能力，且響應(yīng)快、使用溫度范圍寬(150℃以下)、可加熱清洗等。常用的有燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻、涂覆膜型Fe3O4濕敏元件和ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件。1）燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器：下圖為其結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖。該傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無(wú)關(guān),相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,易吸附水分。主要優(yōu)點(diǎn)：阻值溫度特性好。陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線等效電路13.2.4常用半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻2）涂覆膜型Fe3O4濕敏元件結(jié)構(gòu)工藝：主要由基片、電極和感濕膜等組成。通過(guò)在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝制成梳狀金電極，將預(yù)先配置的Fe3O4膠液涂在已有的金電極基片上，然后低溫烘干，引出電極。特點(diǎn)：常溫、常壓下性能較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，在全濕范圍內(nèi)有相當(dāng)好的濕敏特性，在精度不高時(shí)使用；但相應(yīng)緩慢，有明顯的濕滯。3）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)工藝：將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，再將敏感元件裝在有網(wǎng)眼過(guò)濾的方形塑料盒中用樹脂固定。特點(diǎn)：元件的電阻率幾乎不隨溫度改變，老化現(xiàn)象很小。13.2.5濕敏傳感器的測(cè)量電路1）檢測(cè)電路的選擇（1）電源選擇

一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會(huì)劣化甚至失效。電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)靠離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會(huì)被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低。在高頻情況下，測(cè)試引線的容抗明顯下降，會(huì)使?jié)衩綦娮瓒搪?。另外，濕敏膜在高頻下會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測(cè)濕靈敏度和準(zhǔn)確性。

13.2.5濕敏傳感器的測(cè)量電路1）檢測(cè)電路的選擇（2）溫度補(bǔ)償

濕度傳感器具有正或負(fù)的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)大小不一，工作溫區(qū)有寬有窄。所以要考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。半導(dǎo)體陶瓷傳感器的電阻與溫度的關(guān)系一般為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通常其溫度關(guān)系屬于NTC型，即：R=R0exp[(B/T)-AH]式中，H:相對(duì)濕度；T:絕對(duì)溫度；R0:在T=0℃相對(duì)濕度H=0時(shí)的阻值；A:濕度常數(shù)；B:溫度常數(shù)。溫度系數(shù)＝，濕度系數(shù)＝濕度溫度系數(shù)＝

當(dāng)傳感器濕度溫度系數(shù)為0.07％RH/℃、工作溫差30℃，測(cè)量誤差為0.21％RH/℃，不必考慮溫度補(bǔ)償；若濕度溫度系數(shù)為0.4％RH/℃，則引起12％RH/℃的誤差,必須補(bǔ)償。

13.2.5濕敏傳感器的測(cè)量電路1）檢測(cè)電路的選擇（3）線性化

濕度傳感器的感濕特征量與相對(duì)濕度的關(guān)系不是線性的，這給濕度的測(cè)量、控制和補(bǔ)償帶來(lái)困難。需通過(guò)一種變換使感濕特征量與相對(duì)濕度的關(guān)系線性化。下圖為測(cè)量電路原理框圖。A2A1A3A4A5A6++__濕敏元件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W濕度傳感器測(cè)量電路原理框圖D1振蕩器放大電路傳感器驅(qū)動(dòng)電路整流電路對(duì)數(shù)溫補(bǔ)電路13.2.5濕敏傳感器的測(cè)量電路2）典型電路*電阻式濕度傳感器的測(cè)量電路主要有兩種形式:（1）電橋電路振蕩器對(duì)電路提供交流電源。電橋的一臂為濕敏器件，濕度變化使傳感器阻值發(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號(hào)輸出，放大器可把不平衡信號(hào)加以放大，整流器將交流信號(hào)變成直流信號(hào)，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。振蕩器電橋放大器橋式整流電表指示直流電源9V濕度傳感器電橋測(cè)濕電路框圖13.2.5濕敏傳感器的測(cè)量電路2）典型電路*（2）帶溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量電路實(shí)用中要同時(shí)考慮濕度傳感器的線性處理和溫度補(bǔ)償，常用運(yùn)算放大器構(gòu)成測(cè)量電路。如圖所示，測(cè)量電路中Rt是熱敏電阻(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運(yùn)放為L(zhǎng)M2904。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％~90％)RH、15℃~35℃范圍內(nèi)，輸出電壓表示的濕度誤差不超過(guò)3％RH。_+_+1V120HZ51kΩ91kΩ22kΩ91kΩRH+12V-12VD20μF47kΩ100kΩ100kΩ330kΩUOUT-VSRtA2A113.2.5濕敏傳感器的應(yīng)用1）SMC-2型濕度傳感器下圖所示為SMC-2型濕度檢測(cè)原理框圖，它用濕敏器件實(shí)現(xiàn)“濕—電”轉(zhuǎn)換。其中，濕敏器件是用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成多孔半導(dǎo)體陶瓷，它的電導(dǎo)率隨著對(duì)水蒸氣的吸、脫附而發(fā)生變化，從而可將濕度轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，必須對(duì)濕敏器件進(jìn)行清洗。為保證測(cè)量精度，傳感器必須按“加熱清洗→延時(shí)恢復(fù)→正常測(cè)量”的程序工作。特點(diǎn)：感濕范圍寬、壽命長(zhǎng)、測(cè)量精度高、小型輕便。13.2.5濕敏傳感器的應(yīng)用2）自動(dòng)去濕控制下圖是一種用于汽車駕駛室擋風(fēng)玻璃的自動(dòng)去濕電路。該電路以VT1和VT2為主組成的施密特觸發(fā)電路為主構(gòu)成。13.3離子敏傳感器

離子敏傳感器(ISFET)是將溶液中的離子活度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。其基本原理是離子識(shí)別，利用固定在敏感膜上的離子識(shí)別材料有選擇性地結(jié)合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電壓的改變，以達(dá)到測(cè)量的目的。廣泛應(yīng)用在生化、醫(yī)學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行靈敏和迅速的微量分析。1)ISFET的工作原理如圖所示，ISFET=ISE(離子選擇電極)+MOSFET，它是把MOSFET的金屬鋁柵換為對(duì)離子有選擇性響應(yīng)的敏感膜，讓敏感