第9章 化學(xué)物質(zhì)傳感器機(jī)工社版

第9章化學(xué)物質(zhì)傳感器1/31/20231學(xué)習(xí)目的

掌握氣敏傳感器、濕度傳感器的工作原理。掌握電阻型氣敏傳感器、非電阻型氣敏傳感器的工作原理。熟悉氣敏傳感器的應(yīng)用。掌握電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器的工作原理。熟悉濕度傳感器的應(yīng)用。1/31/20232

9.1氣敏傳感器

9.2濕度傳感器

本章小結(jié)

復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄1/31/20233人類的日常生活和生產(chǎn)活動與周圍環(huán)境氣氛緊密相關(guān)。氣氛的變化對人類有極大的影響。例如，氣氛中缺氧或有毒氣體會使人感到窒息甚至昏迷致死?？扇夹詺怏w的泄漏會引起爆炸和火災(zāi)，使人們的生命和財(cái)產(chǎn)遭受巨大的損失。在生產(chǎn)中使用的氣體原料和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體種類和數(shù)量也在不斷增加，特別是石油、化工、煤礦及汽車等工業(yè)的飛速發(fā)展以及火災(zāi)事故的不斷發(fā)生，大氣日益污染。因而我們需要使用大量的氣敏傳感器來檢測氣體的成分。氣敏傳感器就是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種器件，它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。9.1氣敏傳感器1/31/20234燃?xì)鈭?bào)警器煙霧報(bào)警器1/31/20235酒精傳感器1/31/20236氣敏傳感器的種類很多，分類標(biāo)準(zhǔn)不一，根據(jù)傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機(jī)理和效應(yīng)不同主要分為：9.1.1氣敏傳感器的分類半導(dǎo)體式固體電解質(zhì)式電化學(xué)式接觸燃燒式其他類型光學(xué)式氣敏傳感器石英振子式氣敏傳感器表面聲波氣敏傳感器電阻型非電阻型1/31/20237固體電解質(zhì)氣敏傳感器是利用被測氣體在敏感電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所生成的離子通過固體電解質(zhì)傳遞到電極，使電極間產(chǎn)生的電位隨氣體分壓而變化的原理來對氣體進(jìn)行檢測。電化學(xué)式氣敏傳感器是利用電極和電解質(zhì)組成的電池中，氣體與電極進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而使兩極間輸出的電流或電壓隨氣體濃度而變化的原理制作的。1/31/20238燃燒式氣敏傳感器則是基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，而使貴金屬電極電導(dǎo)隨氣體濃度發(fā)生變化來對氣體進(jìn)行檢測的。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛；下面重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器及其氣敏元件。電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是目前廣泛應(yīng)用的氣敏傳感器之一。1/31/202399.1.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在金屬氧化物半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感元件阻值變化的原理來制作的。

如氧氣等氧化型氣體—電子接收性氣體（具有負(fù)離子吸附傾向的氣體）吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；如氫、碳氧化合物、醇等還原型氣體—電子供給性氣體（具有正離子吸附傾向的氣體）吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升。圖9-1N型半導(dǎo)體與氣體接觸時的氧化還原反應(yīng)1/31/202310氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時加敏感材料和催化劑燒結(jié)，金屬氧化物有：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體如：這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后則顯示出氣敏特性。N型半導(dǎo)體如：1/31/202311通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）材料的電子吸附負(fù)電荷，結(jié)果半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測氣體接觸時，會與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加使元件電阻減小。導(dǎo)電機(jī)理用一句話描述：半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化，根據(jù)這一特性，從阻值的變化測出氣體的種類和濃度。1/31/202312

是電阻型金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的氣敏材料的典型代表，這類半導(dǎo)體傳感器的使用溫度較高，大約200～500℃。為了進(jìn)一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向母料中添加一些貴金屬（如等），激活劑及粘接劑等。目前常見的—更具有潛力

系列氣敏元件有燒結(jié)型薄膜型厚膜型—應(yīng)用最多1/31/2023131．燒結(jié)型氣敏元件燒結(jié)型氣敏元件是目前工藝最成熟的氣敏元件，其敏感體是用粒徑很小的粉體為基本材料，與不同的添加劑混合均勻，采用典型的陶瓷工藝制備，工藝簡單，成本低廉。主要用于檢測可燃的還原性氣體，敏感元件的工作溫度約300℃。按照其加熱方式，分為直熱式旁熱式1/31/202314直熱式

氣敏元件，又稱為內(nèi)熱式器件。由芯片(包括敏感體和加熱器)、基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。芯片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在以為主要成分的燒結(jié)體中埋設(shè)兩根作為電極并兼作加熱器的螺旋形鉑～銥合金線，其結(jié)構(gòu)如9-2圖所示。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但其熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，穩(wěn)定性差。圖9-2直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)1/31/202315其可靠性和使用壽命都較直熱式氣敏元件為高。目前市售的系氣敏元件大多為這種結(jié)構(gòu)形式。旁熱式氣敏元件嚴(yán)格地講是一種厚膜型元件，其結(jié)構(gòu)如9-3圖所示。在一根薄壁陶瓷管的兩端設(shè)置一對金電極及鉑一銥合金絲引出線，然后在瓷管的外壁涂覆以為基礎(chǔ)材料配制的漿料層，經(jīng)燒結(jié)后形成厚膜氣體敏感層。在陶瓷管內(nèi)放入一根螺旋形高電阻金屬絲作為加熱器(加熱器電阻值一般為30～40Ω)。這種管芯的測量電極與加熱器分離，避免了相互干擾，而且元件的熱容量較大，減少了環(huán)境溫度變化對敏感元件特性的影響。旁熱式氣敏元件圖9-3旁熱式氣敏元件結(jié)構(gòu)1/31/2023162．厚膜型氣敏元件基片加熱器氣體敏感層厚膜型組成厚膜型SnO2氣敏元件是用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將漿料制備而成的，其機(jī)械強(qiáng)度和一致性都比較好，且與厚膜混合集成電路工藝能較好相容，可將氣敏元件與阻容元件制作在同一基片上，利用微組裝技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路芯片組裝在一起，構(gòu)成具有一定功能的器件。圖9-4厚膜型氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖1/31/2023173．薄膜型

SnO2

氣敏元件由于燒結(jié)型SnO2氣敏元件的工作溫度約300℃，此溫度下貴金屬與環(huán)境中的有害氣體(如SO2

之類)作用會發(fā)生“中毒”現(xiàn)象，使其活性大幅度下降，因而造成氣敏元件的氣敏性能下降，長期穩(wěn)定性、氣體識別能力等降低。薄膜型SnO2

氣敏元件的工作溫度較低(約為250℃)，并且這種元件具有很大的表面積，自身的活性較高，本身氣敏性很好；且催化劑“中毒”不十分明顯。薄膜型器件一般是在絕緣基板上，蒸發(fā)或?yàn)R射一層SnO2薄膜再引出電極。具體結(jié)構(gòu)如9-5圖所示。并且可利用器件對不同氣體的敏感特性實(shí)現(xiàn)對不同氣體的選擇性檢測。圖9-5薄膜型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)1/31/202318非電阻型氣敏傳感器主要包括利用MOS二極管的電容—電壓特性變化的MOS二極管型氣敏傳感器和利用MOS場效應(yīng)管的閾值電壓變化的MOS場效應(yīng)管型氣敏傳感器。9.1.3非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器1/31/202319Pd-MOS二極管氣敏元件是在P型硅上集成一層二氧化硅層，在氧化層蒸發(fā)一層鈀（Pd）金屬膜作柵電極。氧化層（）的電容Ca是固定不變的。而硅片與層電容Cs是外加電壓的函數(shù)，所以總電容C是柵極偏壓的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系稱為該MOS管的電容一電壓(C—U)特性。MOS二極管的等效電容C隨電壓U變化。圖9-6Pd—MOS二極管敏感元件結(jié)構(gòu)和等效電路1/31/202320由于金屬鈀（Pd）對氫氣特別敏感。當(dāng)Pd吸附氫氣以后，使Pd的功函數(shù)下降，且所吸附氣體的濃度不同功函數(shù)變化量不同，這將引起MOS管的C—U特性向左平移（向負(fù)方向偏移），如圖9-7所示。由此可測定氫氣的濃度。圖9-7MOS管的C—U特性1/31/2023219.1.4氣敏傳感器的應(yīng)用各類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報(bào)警都可以用相應(yīng)的氣體傳感器及其相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)，如氣體成分檢測儀、氣體報(bào)警器、空氣凈化器等等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂場所等。下面給出幾個典型實(shí)例。1/31/202322對于丙烷、丁烷、甲烷等氣體，報(bào)警濃度一般選定在其爆炸下限的1／10，通過調(diào)整電阻來調(diào)節(jié)。1.簡易家用氣體報(bào)警圖9-8是一種最簡單的家用氣體報(bào)警器電路，采用直熱式氣敏傳感器TGSlO9，當(dāng)室內(nèi)可燃性氣體濃度增加時，氣敏器件接觸到可燃性氣體而電阻值降低，這樣流經(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅(qū)動蜂鳴器BZ報(bào)警。圖9-8最簡單的家用氣體報(bào)警器電路直熱式氣敏傳感器1/31/2023232.有害氣體鑒別、報(bào)警與控制電路旁熱式煙霧、有害氣體傳感器。無有害氣體時阻值較高(10左右)，有有害氣體或煙霧進(jìn)入時阻值急劇下降，A、B兩端電壓下降.V當(dāng)5腳電壓達(dá)到預(yù)定值時(調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP可改變5腳的電壓預(yù)定值)，1、2兩腳導(dǎo)通.吸合，合上排風(fēng)扇電源開關(guān)自動排風(fēng)聲光報(bào)警電路一方面可鑒別實(shí)驗(yàn)中有無有害氣體產(chǎn)生，鑒別液體是否有揮發(fā)性，另一方面可自動控制排風(fēng)扇排氣，使室內(nèi)空氣清新。1/31/2023240.53V時，則VL1

和VL2

點(diǎn)亮當(dāng)7腳電位等于0.18V時,VL1

被點(diǎn)亮0.84V時,VL1

－VL3均點(diǎn)亮1.19V時，VL1

－VL4均點(diǎn)亮2V時，則使VL1

－

VL5

全部點(diǎn)亮采用低功耗、高靈敏的QM-N10型氣敏檢測管，它和電位器RP

組成氣敏檢測電路，氣敏檢測信號從RP的中心端旋臂取出。U257B是LED條形驅(qū)動器集成電路，其輸出量(LED點(diǎn)亮只數(shù))與輸入電壓成線性關(guān)系。LED被點(diǎn)亮的只數(shù)取決于輸入端7腳電位的高低。通常IC的7腳電壓低于0.18V時，其輸出端2～6腳均為低電平，VL1-VL5均不亮。U257B的額定工作電壓范圍8～25V；輸入電壓最大25V；輸入電流0.5mA；功耗690mW.它可用于家庭對煤氣、一氧化碳、液化石油氣等泄漏實(shí)現(xiàn)監(jiān)測報(bào)警3.可燃性氣體濃度檢測電路圖9-10可燃性氣體濃度檢測電路原理圖1/31/202325

當(dāng)QM-N10不接觸可燃性氣體時，其A—B兩電極間呈高阻抗，使得7腳電壓趨于0V，相應(yīng)VL1～VL5均不亮。當(dāng)QM-N10處在一定的可燃性氣體濃度中時，其A—B兩電極間電阻變得很小，這時7腳存在一定的電壓0.18V，使得相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。如果可燃性氣體的濃度越高，則VL1～VL5依次被點(diǎn)亮的只數(shù)越多。圖9-10可燃性氣體濃度檢測電路原理圖1/31/202326限流電阻

QM-N5型氣敏元件報(bào)警設(shè)定電位器

VT2和VT3互補(bǔ)式自激多諧振蕩器圖9-11礦燈瓦斯報(bào)警器電路4.礦燈瓦斯報(bào)警器1/31/202327因?yàn)闅饷粼陬A(yù)熱期間會輸出信號造成誤報(bào)警，所以氣敏元件在使用前必須預(yù)熱十幾分鐘以避免誤報(bào)警。一般將礦燈瓦斯報(bào)警器直接安放在礦工的工作帽內(nèi)，以礦燈蓄電池為電源。當(dāng)瓦斯超限時，礦燈自動閃光并發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)瓦斯超過某設(shè)定點(diǎn)時，輸出信號通過二極管VD加到VT1基極上，VT1導(dǎo)通，VT2、VT3便開始工作。而當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊蜁r，RP

輸出的信號電位低，VT1截止，VT2、VT3也截止.

圖9-11礦燈瓦斯報(bào)警器電路1/31/202328圖9-11礦燈瓦斯報(bào)警器電路在VT1導(dǎo)通后電源通過R3對C1充電，當(dāng)充電至一定電壓時VT3導(dǎo)通，C2很快通過VT3充電，使VT2導(dǎo)通，繼電器K吸合。VT2導(dǎo)通后C1立即開始放電，C1正極經(jīng)VT3的基極、發(fā)射極、VT1的集電結(jié)、電源負(fù)極，再經(jīng)電源正極至VT2集電結(jié)至C1負(fù)極，所以放電時間常數(shù)較大。當(dāng)C1兩端電壓接近零時，VT3截止。此時VT2還不能馬上截止，原因是電容器C2上還有電荷，這時C2經(jīng)R2和VT2的發(fā)射結(jié)放電，待C2兩端電壓接近零時VT2就截止了，自然K也就釋放。當(dāng)VT3截止，C1又進(jìn)入充電階段，以后過程又同前述，使電路形成自激振蕩，K不斷地吸合和釋放。由于K與礦燈都是安裝在工作帽上，K吸合時，銜鐵撞擊鐵芯發(fā)出的“嗒嗒”聲通過礦帽傳遞給礦工聽見。同時，礦燈因K的吸合與釋放也不斷閃光，引起礦工的警覺，他可及時采取通風(fēng)措施。1/31/2023295．煙霧報(bào)警器電路由電源、檢測、定時報(bào)警輸出三部分組成。電源部分將220V市電經(jīng)變壓器降至15V，由－組成的橋式整流電路整流并經(jīng)濾波成直流。

圖9-12煙霧報(bào)警器電路原理圖HQ-2氣敏管A—B之間的電阻，在無煙環(huán)境中為幾十千歐，有煙霧環(huán)境中可下降到幾千歐。

1/31/202330一旦有煙霧存在，A—B間電阻便迅速減小，比較器通過電位器RP1所取得的分壓隨之增加，IC1翻轉(zhuǎn)輸出高電平使T2導(dǎo)通。IC2在IC1翻轉(zhuǎn)之前輸出高電平，因此T1也處于導(dǎo)通狀態(tài)。只要IC1一翻轉(zhuǎn)，輸出端便可輸出報(bào)警信號。輸出端可接蜂鳴器或發(fā)光器件。IC1翻轉(zhuǎn)后，由R3、C1組成的定時器開始工作(改變R3阻值可改變報(bào)警信號的長短)。當(dāng)電容C1被充電達(dá)到閾值電位時，IC2翻轉(zhuǎn)，則VT1關(guān)斷，停止輸出報(bào)警信號。煙霧消失后，比較器復(fù)位，C1通過IC1放電。該氣敏管長期擱置首次使用時，在沒有遇到可燃性氣體時電阻也將減小，需經(jīng)10分鐘左右的初始穩(wěn)定時間后方可正常工作。圖9-12煙霧報(bào)警器電路原理圖1/31/2023316．酒精檢測報(bào)警器圖9-13酒精檢測報(bào)警控制器電路原理圖由于氣敏元件不僅對酒精敏感，而且對于汽油、香煙也敏感，經(jīng)常造成檢測駕駛員是否飲酒的報(bào)警器發(fā)生誤動作而不能普遍推廣使用。必須選用只對酒精敏感的QM-NJ9型酒精傳感器，要求當(dāng)檢測器接觸到酒精氣味后立即發(fā)出連續(xù)不斷的“酒后別開車’’的響亮語音報(bào)警，并切斷車輛的點(diǎn)火電路，強(qiáng)制車輛熄火。QM-NJ9型酒精傳感器

語言聲光報(bào)警器1/31/202332圖9-13酒精檢測報(bào)警控制器電路原理圖三端穩(wěn)壓器7805將傳感器的加熱電壓穩(wěn)定在5V±0.2V，保證該傳感器工作穩(wěn)定性和具有高的靈敏度。

當(dāng)酒精氣敏元件接觸到酒精味后B點(diǎn)電壓升高，且升高值隨檢測到的酒精濃度增大而升高，當(dāng)該電壓達(dá)到1.6V時導(dǎo)通語言聲光報(bào)警器1/31/202333呼氣管酒精測試儀1/31/202334家庭用液化氣報(bào)警器家庭用煤氣報(bào)警器1/31/202335一氧化碳傳感器1/31/202336汽車尾氣分析1/31/2023371/31/2023381/31/2023399.2濕度傳感器濕度的檢測與控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活中的地位越來越重要。例如:許多儲物倉庫在濕度超過某一程度時，物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在60－70％RH；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進(jìn)行檢測和控制。1/31/2023401/31/202341濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對濕度、相對濕度、露點(diǎn)等表示。待測空氣中水蒸氣質(zhì)量待測空氣的總體積，單位為g/m39.2.1濕度的表示方法1.絕對濕度所謂絕對濕度就是在一定溫度和壓力條件下，單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，也就是指空氣中水蒸氣的密度。一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示，即為絕對濕度（g/m3）1/31/202342相對濕度是表示空氣中實(shí)際所含水蒸氣的分壓（P）和同溫度下飽和水蒸氣的分壓（Pmax）的百分比，即

通常，用％RH表示相對濕度。當(dāng)溫度和壓力變化時，因飽和水蒸氣變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對濕度也發(fā)生變化。顯然，絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，相對濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更廣泛。日常生活中所說的空氣濕度，實(shí)際上就是指相對濕度而言。2.相對濕度溫度1/31/202343在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，此時的溫度稱為露點(diǎn)或露點(diǎn)溫度。如果這一特定溫度低于0℃，水氣將凝結(jié)成霜，此時稱其為霜點(diǎn)。通常對兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為露點(diǎn)，其單位為℃。

3.露點(diǎn)1/31/2023449.2.2濕度傳感器的分類近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度、溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。產(chǎn)品的基本形式都是在基片涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。濕敏元件根據(jù)工作方式的不同電阻式電容式濕敏元件是指對環(huán)境濕度具有響應(yīng)或轉(zhuǎn)換成相應(yīng)可測信號的元件濕度傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成的，具有把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為電信號的能力。1/31/202345濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。1.濕敏電阻濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差.濕敏電阻的種類金屬氧化物濕敏電阻硅濕敏電阻碳濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻陶瓷濕敏電阻高分子濕敏電阻1/31/2023462.濕敏電容當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容極間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。按照極間介質(zhì)的不同，濕敏電容分為有機(jī)高分子陶瓷材料國外生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。1/31/202347氯化鋰濕敏電阻是利用物質(zhì)吸收水分子而使導(dǎo)電率變化來檢測濕度。在氯化鋰溶液中，Li和Cl以正負(fù)離子的形式存在，鋰離子（Li+）對水分子的吸收力強(qiáng)，離子水合成度高，溶液中的離子導(dǎo)電能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導(dǎo)電率上升。當(dāng)溶液置于一定濕度場中，若環(huán)境RH上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆担娮杪师焉仙?，反之RH下降，電阻率ρ下降。通過測量溶液電阻值R實(shí)現(xiàn)對濕度的測量。9.2.3電阻式濕度傳感器1．氯化鋰濕敏電阻1/31/202348在梳狀或柱狀電極間的電阻值的變化反映了空氣相對濕度的變化。氯化鋰電阻濕度傳感器分梳狀和柱狀，如圖9-15所示

圖9-15氯化鋰電阻濕度傳感器1/31/202349

氯化鋰濃度不同的單片濕度傳感器，其感濕的范圍也不同。濃度低的單片濕度傳感器對高濕度敏感，而濃度高的單片濕度傳感器對低濕度敏感。一般的單片濕度傳感器的濕敏范圍僅在30％RH左右，如10％～30％、20％～40％、40％～70％、70％～90％、80％～99％等。每一傳感器的測量范圍較窄，故應(yīng)按照測量范圍的要求，選用相應(yīng)的量程。為擴(kuò)大測量范圍，可采用多片組合傳感器。新型氯化鋰濕度傳感器具有長期工作穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但在有結(jié)露時易失效。它適合空調(diào)系統(tǒng)使用1/31/2023502．陶瓷濕敏傳感器半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體在高溫1300℃下燒結(jié)成多孔陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻分為兩種一種材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱為負(fù)特性半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻（例：ZnO-LiO2-V2O5）一種材料(如Fe3O4半導(dǎo)瓷)的電阻率隨著濕度的增加而增大，稱為正特性半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻。1/31/202351由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)體陶瓷表面附著時，就可能從半導(dǎo)體陶瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)體陶瓷表面帶負(fù)電，相當(dāng)于表面電勢變負(fù)。P型半導(dǎo)體陶瓷N型半導(dǎo)體陶瓷水表面電勢下降電阻下降已知一系列的金屬氧化物，特別是過渡金屬氧化物及其鹽類都具有這樣特性，如對于N半體陶導(dǎo)瓷，由于水分子附著同樣會使表面電勢下降，如果表面電勢下降比較多，不僅使表面的電子耗盡，同時將大量的空穴吸引到表面層，以至有可能達(dá)到表面層的空穴濃度高于電子濃度的程度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子

，它們同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)。這就說明水分子的附著同樣可以使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。由于水分子的吸附使表面電勢下降，這類材料就是負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。它的阻值隨著濕度的增加可以下降三至四個數(shù)量級。1/31/202352對于阻值隨濕度增加而增大的這類正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性有所不同。當(dāng)水分子的附著使表面電勢變負(fù)時，造成表面層電子濃度的下降，但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型的程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。于是表面電阻將由于電子濃度的下降而增大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面層電阻將隨環(huán)境濕度的增加而加大。如果對于某一種半體陶導(dǎo)瓷，它的晶粒間界電阻與體內(nèi)電阻相比并不很大，那么表面層電阻的加大對總電阻將不起多大作用。不過，通常濕敏半導(dǎo)體陶瓷材料都是多孔型的，表面電阻占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總阻值的明顯升高。但由于晶體內(nèi)部低阻支路依然存在，所以總阻值的升高不像負(fù)特性材料中的阻值下降那么明顯。正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷

1/31/202353由金屬氧化物粉末或某些金屬氧化物燒結(jié)體研成的粉末，通過一定方式的調(diào)合、噴灑或涂覆在具有叉指電極的陶瓷基片上而制成的。涂覆膜型的濕敏元件水電阻下降涂覆膜型的濕敏元件由其結(jié)構(gòu)所造成的。由于粉粒之間通常是很松散的“準(zhǔn)自由”表面，這些表面都非常有利于水分子附著，特別是粉粒與粉粒之間不太緊密的接觸更有利于水分子的附著。極性的、離解力極強(qiáng)的水分子在粉粒接觸處的附著將使其接觸程度強(qiáng)化，并且接觸電阻顯著降低。1/31/202354因此環(huán)境濕度越高，水分子附著越多，接觸電阻就越低。由于接觸電阻在濕敏元件中是起主導(dǎo)作用的，所以隨著環(huán)境濕度的增加，元件的電阻下降。而且，不論是用負(fù)特性型還是正特性型的濕敏瓷粉作為原料，只要其結(jié)構(gòu)是屬于粉粒堆集型的，其阻值都將隨著環(huán)境濕度的增高而顯著下降。例如，燒結(jié)型Fe3O4濕敏電阻具有正特性，而瓷粉膜型Fe3O4濕敏電阻具有負(fù)特性。1/31/202355在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中，由鉻酸鎂－二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內(nèi)隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進(jìn)行反復(fù)的熱清洗，性能仍保持不變。圖9-16

陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)多孔陶瓷濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)，氣孔大部分為粒間氣孔，氣孔直徑隨添加量的增加而增大，平均氣孔直徑在100～300nm內(nèi)。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān)，可看作相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管，容易吸附水分。這種傳感器材料的主晶相是相，此外，還有相等，濕敏體是一個多晶多相的混合物。經(jīng)汞壓法測定，各種配方的濕敏氣孔率各不相同，氣孔率在20％～35％之間，平均粒徑在左右。濕敏體的兩個側(cè)面制成多孔的氧化釕

電極，電極的引線一般為(鉑-銥）

絲。陶瓷基片在周圍裝置有一只坎瑟爾電阻絲繞制的加熱器。陶瓷濕敏體和加熱器固定在陶瓷基座上，陶瓷基座上采用帶有護(hù)圈的絕緣子，這樣能消除傳感器接頭之間因電解質(zhì)粘附而引起的泄漏電流的影響。1/31/202356陶瓷濕敏傳感器具有較好的熱穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環(huán)境中測得準(zhǔn)確的濕度數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)；另外測濕范圍寬，基本上可以實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，常溫濕敏傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕敏傳感器的工作溫度可達(dá)800℃；響應(yīng)時間短，精度高，工藝簡單，成本低等。所以在實(shí)用中占有很重要的位置。1/31/202357高分子電阻式濕度傳感器使用高分子固體電解質(zhì)材料制作感濕膜，由于膜中的可動離子而產(chǎn)生導(dǎo)電性，隨著濕度的增加，其電離作用增強(qiáng)，使可動離子的濃度增大，電極間的電阻值減小。反之，電阻值增大。因此，濕度傳感器對水分子的吸附和釋放情況，可通過電極間電阻值的變化檢測出來，從而得到相應(yīng)的濕度值。3．高分子電阻式濕度傳感器由于它們的檢測范圍不同，因而在實(shí)用上各自有著不同的用途。下面以高分子結(jié)構(gòu)效應(yīng)型濕度傳感器為例講述其工作原理。高分子電阻式濕度傳感器可以分為兩類一類是高分子結(jié)構(gòu)效應(yīng)型濕度傳感器另一類是高分子尺寸效應(yīng)型濕度傳感器1/31/202358高分子結(jié)構(gòu)效應(yīng)型濕度傳感器水電阻下降通常是將含有強(qiáng)極性基的高分子電解質(zhì)及其鹽類、、-NH2等高分子材料制成感濕電阻式膜。水吸附在強(qiáng)極性基高分子上，隨著濕度的增大吸附量增加，吸附水之間凝聚化呈液態(tài)水狀態(tài)。測定這種濕度傳感器電阻值時，在低濕吸附量少的情況下，由于沒有電荷離子產(chǎn)生，電阻值很高。當(dāng)相對濕度增加時，凝聚化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的成對離子主要起載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質(zhì)子及水和氫離子也起電荷載流子作用，這就使傳感器的電阻急劇下降。利用高分子電解質(zhì)在不同濕度條件下電離產(chǎn)生的導(dǎo)電離子數(shù)量不等使阻值變化，就可測定環(huán)境中的濕度。高分子結(jié)構(gòu)效應(yīng)型濕度傳感器

1/31/202359圖9-17為元件結(jié)構(gòu)圖，感濕膜是由PVA(聚乙烯醇)和PSS(聚苯乙烯磺酸銨)組成?；鶚O用厚O.6mm的氧化鉛，電極用Au做成叉指型。組件外面用發(fā)泡體聚丙烯包封構(gòu)成過濾器，以防止灰塵、水和油等直接與感濕膜接觸。利用導(dǎo)電性高分子對水蒸氣的物理吸附作用引起電導(dǎo)率變化的高分子濕度傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是測量濕度范圍大，工作溫度在0～50℃，響應(yīng)時間短(<30s)，可作為濕度檢測和控制用。圖9-17元件結(jié)構(gòu)圖1/31/2023609.2.4電容式濕度傳感器濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，高分子電容式濕度傳感器基本上是一個電容器，如圖9-18所示，在高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著水分子被吸附或釋放，高分子薄膜的介電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。圖9-18高分子電容式濕敏元件基本結(jié)構(gòu)因?yàn)榻殡娤禂?shù)隨空氣的相對濕度變化而變化，所以只要測定電容值就可測得相對濕度。1/31/202361常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍、硝酸纖維素、聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄,一般約5000埃,使元件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差,響應(yīng)速度快。高分子電容式濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、線性好、重復(fù)性好、測量范圍寬、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是不宜用于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境，元件也不能耐80℃以上的高溫。其廣泛用于氣象、倉庫、食品、紡織等領(lǐng)域的濕度檢測。1/31/2023629.2.5常見濕度傳感器1/31/202363

對于不同環(huán)境的濕度測量應(yīng)選用不同的濕度傳感器。例如，當(dāng)環(huán)境溫度在一40～70℃時，可采用高分子濕度傳感器和陶瓷濕度傳感器；在70～100℃范圍和超過100℃時使用陶瓷濕度傳感器。在干凈的環(huán)境通常使用高分子濕度傳感器，在污染嚴(yán)重的環(huán)境則使用陶瓷濕度傳感器。為了使傳感器準(zhǔn)確穩(wěn)定地工作，還需附加自動加熱清洗裝置。下面介紹幾種典型的應(yīng)用實(shí)例。9.2.6濕度傳感器的應(yīng)用1/31/202364圖9-20直讀式濕度計(jì)電路氯化鋰濕度傳感器

測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz

微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上.

1.直讀式濕度計(jì)1/31/202365圖9-21濕度檢測器電路濕度傳感器

多諧振蕩器,輸出方波信號

讀出與相對濕度相應(yīng)的指數(shù)來將多諧振蕩器輸出的方波信號變?yōu)槿遣?。?dāng)相對濕度變化時，濕度傳感器的電容量將隨著改變，它將使多諧振蕩器輸出的頻率及三角波的幅度都發(fā)生相應(yīng)的變化。

2.濕度檢測器整流和濾波儀器調(diào)零1/31/202366圖9-20高濕顯示器電路圖SMOI—A型濕敏電阻，當(dāng)環(huán)境的相對濕度在20％～90％RH變化時，它的電阻值在幾十千歐到幾百歐范圍內(nèi)改變9V當(dāng)環(huán)境濕度增大時

RV導(dǎo)通截至導(dǎo)通發(fā)光高濕度顯示電路可應(yīng)用于蔬菜大棚、糧棉倉庫、花卉溫室、醫(yī)院等對濕度要求比較嚴(yán)格的場合。3.高濕度顯示器為防止?jié)衩綦娮璁a(chǎn)生極化現(xiàn)象，采用變壓器降壓供給檢測電路9V交流電壓。

1/31/202367圖9-23濕度控制器原理電路圖將濕敏電容置于RC振蕩電路中，直接將濕敏元件的電容信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及RC組成雙振蕩器，其中一支路由固定電阻和濕敏電容組成，另一支路由多圈電位器和固定電容組成。設(shè)定在O％RH時，濕敏支路產(chǎn)生一脈沖寬度的方波，調(diào)整多圈電位器使其方波與濕敏支路脈寬相同，則兩信號差為0，濕度變化引起脈寬變化，兩信號差通過RC濾波后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到電壓輸出，輸出電壓隨相對濕度幾乎成線性增加，這是KSC－6V集成相對濕度傳感器的原理，其相對濕度0％～100％RH對應(yīng)的輸出為0～100mV。當(dāng)濕度V導(dǎo)通吸合發(fā)綠光,空氣干燥接通超聲波加濕器

4.房間濕度控制器高電平1/31/202368圖9-23濕度控制器原理電路圖當(dāng)濕度V釋放發(fā)紅光,空氣潮濕接通排氣扇排除潮氣導(dǎo)通吸合高電平1/31/202369

圖9-24汽車后窗玻璃自動去濕電路嵌入玻璃的加熱電阻濕度傳感器

施密特觸發(fā)電路偏置電路

在常溫常濕條件下較大導(dǎo)通截止斷開無電流流過5.汽車后窗玻璃自動去濕裝置1/31/202370

圖9-24汽車后窗玻璃自動去濕電路嵌入玻璃的加熱電阻濕度傳感器施密特觸發(fā)電路偏置電路

當(dāng)室內(nèi)外溫差較大，且濕度過大時

減小導(dǎo)通截止閉合有電流流過，加熱電阻開始加熱，后窗玻璃上的潮氣被驅(qū)散。1/31/2023716.浴室鏡面水汽清除器圖9-25鏡面水汽清除器的整體結(jié)構(gòu)圖由電熱絲、結(jié)露傳感器、控制電路等組成，其中電熱絲和結(jié)露傳感器安裝在玻璃鏡子的背面，用導(dǎo)線將它們和控制電路聯(lián)接。1/31/202372圖9-26浴室鏡面水汽清除器電路圖結(jié)露傳感器，感知水汽后的阻值變化如果玻璃鏡面周圍的濕度變低時，結(jié)露傳感器阻值變小到2時。截止截止無電流流過調(diào)節(jié)其阻值，可使加熱絲在確定的某一相對濕度條件下開始加熱。導(dǎo)通1/31/202373圖9-26浴室鏡面水汽清除器電路圖結(jié)露傳感器，感知水汽后的阻值變化如果玻璃鏡面周圍的濕度增加，使結(jié)露傳感器阻值增大到50時。截止導(dǎo)通有電流流過調(diào)節(jié)其阻值，可使加熱絲在確定的某一相對濕度條件下開始加熱。導(dǎo)通玻璃鏡面加熱，隨著鏡面溫度逐步升高，從而使鏡面水汽被蒸發(fā)恢復(fù)清晰。

1/31/202374土壤的電阻值與其濕度有關(guān)，潮濕的土壤電阻僅有幾百歐姆，干燥時土壤電阻可增大到數(shù)十千歐姆以上，因此，可以利用土壤電阻值的變化來判斷土壤是否缺水。

圖9-27土壤缺水告知器電路原理圖

振蕩器緩沖電路基準(zhǔn)電壓其兩端電壓較低當(dāng)土壤潮濕時，其阻值變小整流低電位