第6章磁場與成分參數(shù)測量傳感器

2023/2/51實(shí)用傳感器技術(shù)教程2磁敏電阻傳感器1.2第6章磁場與成分參數(shù)測量傳感器6.1磁敏二極管和磁敏三極管6.3氣敏傳感器6.4集成磁場傳感器1.26.2濕敏傳感器6.43磁場以及成分參數(shù)的測量在日常生活以及工業(yè)中占據(jù)重要的地位。磁場的測量主要是磁場強(qiáng)度以及磁場方向的測量，成分參數(shù)測量主要是指氣體參數(shù)與濕度參數(shù)的測量。在本章中，磁場主要是通過磁敏電阻器、集成磁場傳感器、磁敏二極管和磁敏三極管進(jìn)行測量的，而氣體參數(shù)和濕度參數(shù)是通過氣敏傳感器和濕敏傳感器進(jìn)行測量的。

46.1磁敏電阻傳感器磁敏式傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類，前者有霍爾傳感器（其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等）和磁敏電阻（1nSb，InAs），后者有磁敏二極管（Ge，Si）、磁敏晶體管（Si等）。它們都是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的一種磁敏傳感器。56.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)磁敏電阻器是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件。

當(dāng)長方形半導(dǎo)體片受到與電流方向垂直的磁場作用時(shí)，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且還會(huì)出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。若適當(dāng)?shù)剡x幾何尺寸，還會(huì)出現(xiàn)電阻值增大的現(xiàn)象。前一種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應(yīng)，后一種現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)。半導(dǎo)體磁阻器件就是綜合利用這樣兩種效應(yīng)而制成的磁敏器件。66.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)1.磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是指將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，其電阻率會(huì)發(fā)生變化（增大），它是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理效應(yīng)。

當(dāng)溫度恒定時(shí)，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的簡單情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為76.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)1.磁阻效應(yīng)當(dāng)電阻率變化為時(shí)，則電阻率的相對(duì)變化率為半導(dǎo)體中僅存在一種載流子時(shí)，磁阻效應(yīng)很弱。若同時(shí)存在兩種載流子，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)，此時(shí)86.1.1磁敏傳感器原理與結(jié)構(gòu)2.磁敏電阻的結(jié)構(gòu)

常見的磁敏電阻有如下三種結(jié)構(gòu)，如圖6-1所示。圖6-1常見磁敏電阻結(jié)構(gòu)96.1.2磁敏電阻常用型號(hào)1.FCC/MC系列磁性傳感器

該傳感器是一種磁電轉(zhuǎn)換器件，它利用磁敏材料的固有特性，通過不同的特殊電路將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

參數(shù)型號(hào)表6-1FCC/MC磁性傳感器型號(hào)及參數(shù)磁靈敏度

V/nT）分辨能力（nT）測量范圍（mT）工作溫度（℃）頻率范圍（Hz）電源（V）功耗（mW）尺寸（mm）非晶態(tài)FCC-1200.50.2-35~400~16982×62×31FCC-21050.2-35~400~2061082×56×31FCC-3500.20.04-35~400~16982×56×31FCC-4600020.3-35~400.01~161580×90磁膜mc-1550.3-30~500~25004.5382×56×31mc-2500020.3-30~500.01~16580×90106.1.2磁敏電阻常用型號(hào)2.CGC系列磁傳感器

該傳感器可用于地磁脈動(dòng)觀測，它是大地磁法或電磁法勘探儀器的磁場信息接收器。

參數(shù)型號(hào)表6-2CGC磁傳感器型號(hào)及參數(shù)直流電阻（Ω）電感量（H）分布電容（pF）外殼等效電阻（kΩ）工作靈敏度(V/Hz·t）開路靈敏度（V/r）總長度（mm）重量（kg）CGC-A4306505505514080215036CGC-B135010502003006930120020116.1.3磁敏電阻應(yīng)用1.InSb磁敏電阻無觸點(diǎn)開關(guān)

圖6-2InSb磁敏電阻無觸點(diǎn)開關(guān)電路圖6-2是利用兩端型InSb磁敏電阻的無觸點(diǎn)開關(guān)電路。將InSb電阻連接到晶體管的基極上，當(dāng)永磁鐵距InSb電阻遠(yuǎn)一點(diǎn)時(shí)，它處于無磁場狀態(tài)，電阻值R0很小，晶體管集電極有輸出電流，處于開狀態(tài)。當(dāng)永磁鐵距InSb電阻很近（例如間隙為0.1mm），InSb電阻值變?yōu)镽B（＞3R0），此時(shí)基極電流很小，晶體管沒有電流輸出，處于關(guān)狀態(tài)。由于它的輸出較大，因而可直接驅(qū)動(dòng)功率晶體管。126.1.3磁敏電阻應(yīng)用2.InSb磁敏無接觸角度傳感器圖6-3InSb磁敏無接觸角度傳感器的外形結(jié)構(gòu)與工作原理圖136.1.3磁敏電阻應(yīng)用2.InSb磁敏無接觸角度傳感器圖6-4InSb磁敏無接觸角度傳感器輸出特性曲線146.1.3磁敏電阻應(yīng)用3.磁敏電阻放大器15從集成磁場傳感器輸出信號(hào)的形式來劃分，它分為兩大類，一類稱為線性磁場集成傳感器，另一類稱為磁場角度集成傳感器。線性磁場集成傳感器是指傳感器的輸出量是模擬信號(hào)，它將電流、磁場等連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的霍爾電勢輸出。它主要包含霍爾元件、穩(wěn)壓電路和放大器三部分。它在工程實(shí)際中有著十分廣泛的應(yīng)用。例如，測量磁場強(qiáng)度、位移和電流等。磁場角度集成傳感器則是測量磁場角度，可以用于測量轉(zhuǎn)速，方向識(shí)別，以及角度測量等。6.2集成磁場傳感器166.2.1線性集成磁場傳感器1.線性集成霍爾傳感器--UGN-350lMUGN-3501M型磁敏元件是一種線性集成霍爾電路，它是將單晶片磁敏單元、線性差動(dòng)放大器、差動(dòng)射極跟隨輸出級(jí)和穩(wěn)壓器等集成在一起的一體化器件，它應(yīng)用起來非常方便簡單，且更為可靠靈活。176.2.1線性集成磁場傳感器2.具有溫度補(bǔ)償功能的線性集成霍爾傳感器

AD22151是一種線性輸出磁場傳感器，適合用于檢測磁場強(qiáng)度和各種特殊位置檢測。AD22151的輸出電壓與施加在垂直器件封裝頂面的磁場強(qiáng)度成正比。AD22151適用于單電源，-40~+150℃溫度范圍內(nèi)，具有低失調(diào)誤差、低增益誤差、低線性誤差和寬失調(diào)調(diào)節(jié)范圍。失調(diào)電壓（磁場零點(diǎn)）為Vcc/2，輸入范圍為Vcc/2土0.5V，輸出靈敏度（外部可調(diào)，A=1）為0.4mV/G，輸出信號(hào)刷新頻率為50kHz，輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍接近電源電壓，對(duì)大容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為1mA。18KMZ52是Philips公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)測量磁場的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置/復(fù)位線圈。6.2.2磁場角度集成傳感器引腳符號(hào)說明1+Iflip2翻轉(zhuǎn)線圈2VCC2橋電源電壓3GND2地4+Icomp2補(bǔ)償線圈5GND1地6+Icomp1補(bǔ)償線圈7-Icomp1補(bǔ)償線圈8-VOUT1橋輸出電壓9+VOUT1橋輸出電壓10-Iflip1翻轉(zhuǎn)線圈11+Iflip1翻轉(zhuǎn)線圈12VCC1橋電源電壓13-Icomp2補(bǔ)償線圈14-VOUT2橋電源電壓15+VOUT2橋電源電壓16-Iflip2翻轉(zhuǎn)線圈表6-3KMZ52引腳說明196.2.3集成磁場傳感器的應(yīng)用1.UGN-350lM構(gòu)成的高斯計(jì)典型的UGN-3501M在磁場1000高斯時(shí)有1400mV的靈敏度，線性范圍為1000高斯，若在第5腳與第6腳之間各加接一只47Ω士5%電阻，則線性范圍可擴(kuò)展到3000高斯。這可以用來測量磁場的強(qiáng)度和判斷磁場的極性。6.2.3集成磁場傳感器的應(yīng)用2.AD22151構(gòu)成單極性模式下的溫度補(bǔ)償電路20圖6-9AD22151構(gòu)成單極性模式下的溫度補(bǔ)償電路圖6-10溫度補(bǔ)償電路中R1電阻值與溫度補(bǔ)償系數(shù)的關(guān)系曲線6.2.3集成磁場傳感器的應(yīng)用3.可識(shí)別轉(zhuǎn)速方向的KM110BH/32應(yīng)用電路KM110BH/32型是有方向識(shí)別功能的轉(zhuǎn)速傳感器集成電路，用于轉(zhuǎn)速測量和方向識(shí)別等領(lǐng)域。它由磁阻傳感元件KMZ10B和一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路和一塊永久磁鐵構(gòu)成，產(chǎn)生數(shù)字電流信號(hào)輸出，電路具有短路保護(hù)功能。216.2.3集成磁場傳感器的應(yīng)用3.可識(shí)別轉(zhuǎn)速方向的KM110BH/32應(yīng)用電路226.3磁敏二極管和磁敏三極管6.3.1磁敏二極管的工作原理和主要特性1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)23（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)圖6-12磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖6.3.1磁敏二極管的工作原理和主要特性

1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理（2）磁敏二極管的工作原理24

（a）無外界磁場作用時(shí)

（b）外界磁場H+（正向磁場）作用時(shí)

（c）外界磁場H-（反向磁場）作用時(shí)圖6-13磁敏二極管工作原理示意圖（2）磁敏二極管的工作原理1）磁電特性在給定的條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系稱為磁敏二極管的磁電特性。25圖6-14給出了磁敏二極管單只使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。由圖上可以看出，單只使用時(shí)，磁敏二極管的正向磁靈敏度大于反向；互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲線對(duì)稱，且在弱磁場下有較好的線性。圖6-14磁敏二極管的磁電特性曲線（2）磁敏二極管的工作原理2）伏安特性在給定磁場的情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線稱為磁敏二極管的伏安特性。26圖6-15鍺磁敏二極管的伏安特性曲線（2）磁敏二極管的工作原理2）伏安特性一種如圖6-16（a）所示，開始在較大偏壓范圍內(nèi)，電流變化比較平坦，隨外加偏壓的增加，電流逐漸增加。此后，伏安特性曲線上升很快，表現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小。另—種如圖6-16（b）所示，硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有負(fù)阻現(xiàn)象，即電流急增的同時(shí)，有偏壓突然跌落的現(xiàn)象。27

（a）形式一

（b）形式二圖6-16硅磁敏二極管的伏安特性曲線（2）磁敏二極管的工作原理3）溫度特性及補(bǔ)償溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，磁敏二極管輸出電壓變化量U（或在無磁場作用時(shí)中點(diǎn)電壓Um）隨溫度變化的規(guī)律。一般情況下，磁敏二極管受溫度的影響較大，如圖6-17所示。28（2）磁敏二極管的工作原理3）溫度特性及補(bǔ)償磁敏二極管的溫度特性較差，因此在使用時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。圖6-18為幾種常見的補(bǔ)償電路。29圖6-18溫度補(bǔ)償電路6.3.1磁敏二極管的工作原理和主要特性

2.磁敏二極管的檢測

用萬用表檢測磁敏二極管的電阻，當(dāng)周圍無磁場時(shí)表針應(yīng)在某一位置不動(dòng)。這時(shí)拿一磁鐵靠近磁敏二極管，觀察表針，應(yīng)該向某一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，離得越近偏轉(zhuǎn)越大。調(diào)換一下磁鐵的極性，再次重復(fù)以上的過程，表針應(yīng)該向另一個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果在整個(gè)過程中，萬用表的表針根本不動(dòng)或只向一個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明磁敏二極管已經(jīng)損壞。306.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性1.磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成一個(gè)結(jié)（即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)）所形成的半導(dǎo)體元件，如圖6-20所示。NPN型磁敏三極管的基區(qū)較長，基區(qū)的結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有本征I區(qū)和一個(gè)高復(fù)合r區(qū)。長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。31圖6-20磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)6.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性1.磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)磁敏三極管不受磁場作用時(shí)，如圖6-21（a）所示。由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，從而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分通過e—I—h而形成基極電流，因而形成了基極電流大于集電極電流的情況。所以，電流放大系數(shù)

。當(dāng)磁敏三極管受到正向磁場（H+）作用時(shí)，如圖6-21（b）所示，洛倫茲力使載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致集電極電流明顯下降。當(dāng)磁敏三極管受到反向磁場（H-）作用時(shí)，如圖6-21（c）所示，載流子在洛侖茲力作用下。向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。32圖6-21磁敏三極管工作原理6.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性2.磁敏三極管的主要特性（1）伏安特性磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線，圖6-22（a）為不受磁場作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線；圖6-22（b）是磁敏三極管在基極恒流條件下（Ib＝3mA），磁場為1kGs時(shí)的集電極電流的變化。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。33圖6-22磁敏三極管伏安特性曲線6.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性2.磁敏三極管的主要特性（2）磁電特性磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性，是應(yīng)用磁敏三極管的基礎(chǔ)。國產(chǎn)NPN型3BCM（鍺）磁敏三極管的磁電特性曲線如圖6-23所示。由圖可見，在弱磁場作用時(shí)，曲線近似于一條直線。34圖6-233BCM磁敏三極管的磁電特性6.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性2.磁敏三極管的主要特性（3）溫度特性磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感，鍺磁敏三極管（如3ACM、3BCM）的磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8％/℃；硅磁敏三極管（如3CCM）的磁靈敏度溫度系數(shù)為-0.6％/℃，因此，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)磁敏三極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償電路如圖6-24（a）所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，普通硅三極管VT的集電極電流Ic增加，導(dǎo)致硅磁敏三極管VTm的集電極電流也增加，從而補(bǔ)償了硅磁敏三極管因溫度升高而導(dǎo)致的集電極電流下降。其中反饋電阻Re一般取400~800。圖6-24（b）所示電路利用鍺磁敏二極管的電流隨溫度升高而增加的特性．使其作為硅磁敏三極管VTm的負(fù)載，以彌補(bǔ)硅磁敏三極管因溫度升高而引起的電流下降。圖6-24（c）是磁敏三極管的差分電路，兩只磁敏三極管VTm1、VTm2特性一致，磁極相反。這種電路不僅能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，而且還可以提高磁靈敏度。356.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性2.磁敏三極管的主要特性（3）溫度特性36圖6-24磁敏三極管的溫度補(bǔ)償電路6.3.2磁敏三極管的工作原理和主要特性2.磁敏三極管的主要特性（4）頻率特性3BCM鍺磁敏三極管對(duì)于交變磁場的頻率響應(yīng)特性為10kHz。（5）磁靈敏度磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度h+和負(fù)向靈敏度h-兩種。其定義如下：376.3.3磁敏二極管和磁敏三極管常用型號(hào)2ACM型磁敏二極管3CCM型磁敏半導(dǎo)體管386.3.3磁敏二極管和磁敏三極管常用型號(hào)4CCM型磁敏半導(dǎo)體管6.3.4磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用1.磁敏二極管探傷電路應(yīng)用圖6-25基于磁敏二極管的探傷電路6.3.4磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用2.磁敏無觸點(diǎn)開關(guān)電路圖6-26無觸點(diǎn)開關(guān)電路6.3.4磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用3.磁敏三極管開關(guān)集成電路圖6-27磁敏三極管開關(guān)集成電路6.4氣敏傳感器6.4.1氣敏傳感器基本概念定義氣敏傳感器就是能夠感知環(huán)境中氣體成分及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可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(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。6.4.1氣敏傳感器基本概念1.定義

氣敏傳感器的性能必須滿足下列條件：1）對(duì)被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度并能及時(shí)給出報(bào)警、顯示與控制信號(hào)；2）對(duì)被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；3）性能穩(wěn)定，重復(fù)性好；4）動(dòng)態(tài)特性好，對(duì)檢測信號(hào)響應(yīng)迅速；5）使用壽命長；6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器大多使用金屬氧化物半導(dǎo)體材料作為氣敏元件。它分N型半導(dǎo)體如SnO2、Fe2O3、ZnO等；P型半導(dǎo)體，如CoO、PbO、CuO、NiO等。材料和結(jié)構(gòu)因?yàn)樵S多金屬氧化物具有氣敏效應(yīng)，這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料，因此稱之為半導(dǎo)體陶瓷，簡稱半導(dǎo)瓷。半導(dǎo)體氣敏傳感器一般由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼。6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器1.材料和結(jié)構(gòu)按其結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型，如圖6-28所示。圖6-28半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器1.材料和結(jié)構(gòu)圖6-28（a）所示為燒結(jié)型氣敏元件，它以多孔質(zhì)陶瓷如SnO2為基材，添加不同物質(zhì)采用低溫（700℃～900℃）制陶方法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)埋入鉑電極和加熱絲，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上制成元件。圖6-28（b）所示為薄膜型氣敏元件，是用蒸發(fā)或?yàn)R射方法，在石英或陶瓷基片上形成金屬氧化物薄膜（厚度在100nm以下），用這種方法制成的敏感膜顆粒很小，因此具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度。圖6-28（c）所示為厚膜型氣敏元件，將氣敏材料（SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁的基片上，在400℃～800℃的溫度下燒結(jié)1個(gè)～2個(gè)小時(shí)便制成厚膜型氣敏元件。6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器2.工作原理電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附有被測氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸介面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。這種反應(yīng)是可逆的，因而可以重復(fù)地使用。電阻值的變化是伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對(duì)氣體的吸附和釋放而產(chǎn)生的，為了加速這種反應(yīng)，通常要用加熱器對(duì)氣敏元件加熱。6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器2.工作原理半導(dǎo)瓷材料SnO2屬于N型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體氣敏傳感器吸附被測氣體時(shí)的電阻變化曲線如圖6-29所示。圖6-29N型半導(dǎo)體氣敏傳感器吸附被測氣體時(shí)的電阻變化曲線6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器2.工作原理空氣中的氧成分大體上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，氣敏元件的阻值大致保持不變。如果被測氣體與敏感元件接觸后，元件表面將產(chǎn)生吸附作用，元件的阻值將隨氣體濃度而變化，從濃度與電阻值的變化關(guān)系即可得知?dú)怏w的濃度。圖6-30所示為典型氣敏元件的阻值－濃度關(guān)系。圖6-30典型氣敏元件的阻值-濃度關(guān)系6.4.3氣敏傳感器常用型號(hào)1.YM-250型氣敏傳感器2.TCS816型氣敏傳感器3.TGS109型氣敏傳感器6.4.3氣敏傳感器常用型號(hào)4.EGS-N02A型氣敏傳感器5.EGS-S130P02型氣敏傳感器6.4.4氣敏傳感器的應(yīng)用1.可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器圖6-31可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器6.4.4氣敏傳感器的應(yīng)用2.防止酒后開車控制器圖6-32防止酒后開車控制器原理圖6.5濕敏傳感器6.5.1濕敏傳感器的基本概念及分類濕度表示法（1）質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為m／M×l00％在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為v／V×100％6.5.1濕敏傳感器的基本概念及分類1.濕度表示法（2）相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對(duì)濕度，其表示式為RH＝e/es×100％絕對(duì)濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為Pv＝m／v（3）露點(diǎn)在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時(shí)，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，這一特定溫度就稱為露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。6.5.1濕敏傳感器的基本概念及分類2.濕敏傳感器的定義濕敏傳感器是能感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。通常，一個(gè)理想的濕敏傳感器應(yīng)具備的性能有：使用壽命長，穩(wěn)定性好；靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)??；使用范圍寬，測量精度高；響應(yīng)迅速；濕滯回差小，重現(xiàn)性好；能在惡劣環(huán)境中使用，抗腐蝕、耐低溫和高溫等特性好；器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低；器件感濕特征量應(yīng)在易測范圍內(nèi)。6.5.1濕敏傳感器的基本概念及分類3.濕敏傳感器的主要參數(shù)及特性（1）感濕特性感濕特性為濕敏傳感器特征量（如：電阻值、電容值等）隨濕度變化的特性。常用感濕特征量和被測相對(duì)濕度的關(guān)系曲線來表示。（2）濕度量程濕度量程為濕敏傳感器技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的感濕范圍。（3）靈敏度靈敏度為濕敏傳感器的感濕特征量（如：電阻值、電容值等）隨環(huán)境濕度變化的程度，即濕敏傳感器感濕特性曲線的斜率。由于大多數(shù)濕敏傳感器的感濕特性曲線是非線性的，因此常采用不同濕度下的感濕特征量之比來表示其靈敏度的大小。（4）濕滯特性同一濕敏傳感器吸濕過程（相對(duì)濕度增大）和脫濕過程（相對(duì)濕度減?。└袧裉匦郧€不重合的現(xiàn)象就稱為濕滯特性。6.5.1濕敏傳感器的基本概念及分類3.濕敏傳感器的主要參數(shù)及特性（5）響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指在一定環(huán)境溫度下，當(dāng)被測相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕敏傳感器的感濕特征量達(dá)到穩(wěn)定變化量的規(guī)定比例所需的時(shí)間。一般以相應(yīng)的起始濕度到終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間的相對(duì)濕度變化所需的時(shí)間來進(jìn)行計(jì)算。（6）感濕溫度系數(shù)

當(dāng)被測環(huán)境濕度恒定不變時(shí)，溫度每變化1℃，引起濕敏傳感器感濕特征量的變化量，就稱為感濕溫度系數(shù)。（7）老化特性

老化特性是指濕敏傳感器在一定溫度、濕度環(huán)境下存放一定時(shí)間后，其感濕特性將會(huì)發(fā)生改變的特性。6.5.1濕敏傳感器的基本概念及分類4.濕敏傳感器的分類電解質(zhì)式陶瓷式高分子式濕敏傳感器電阻型電容型其他陶瓷式高分子式光纖濕敏傳感器界限電流式濕敏傳感器二極管式、石英振子式、SAW式、微波式、熱導(dǎo)式等6.5.2濕敏電阻的類型及原理1.氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是典型的電解質(zhì)濕敏元件，利用吸濕性鹽類潮解，離子電導(dǎo)率發(fā)生變化而制成的測濕元件。典型的氯化鋰濕敏傳感器有登莫式和浸漬式兩種，如圖6-33所示。圖6-33氯化鋰濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)6.5.2濕敏電阻的類型及原理1.氯化鋰濕敏電阻登莫式傳感器結(jié)構(gòu)如圖6-33（a）所示，A為涂有聚苯乙烯薄膜的圓管，B為用聚苯乙烯醋酸覆蓋在A上的鈀絲。登莫式傳感器是用兩根鈀絲作為電極，按相等間距平行繞在聚苯乙烯圓管上，再浸涂一層含有聚苯乙烯醋酸脂（PVAC）和氯化鋰（LiCl）水溶液的混合液，當(dāng)被涂溶液的溶劑揮發(fā)干后，即凝聚成一層可隨環(huán)境濕度變化的感濕均勻薄膜。在一定的溫度（20℃～50℃）和相對(duì)濕度（20%RH～90%RH）下，經(jīng)過7天～15天老化處理后制成的。浸漬式傳感器結(jié)構(gòu)如圖6-33（b）所示，由引線、基片、感濕層與金屬電極組成。它是在基片材料上直接浸漬氯化鋰溶液構(gòu)成的，這類傳感器的浸漬基片材料為天然樹皮。浸漬式傳感器結(jié)構(gòu)與登莫式傳感器不同，部分地避免了高溫下所產(chǎn)生的濕敏膜的誤差。由于它采用了面積大的基片材料，并直接在基片材料上浸漬氯化鋰溶液，因此具有小型化的特點(diǎn)，適用于微小空間的濕度檢測。6.5.2濕敏電阻的類型及原理1.氯化鋰濕敏電阻氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li+和Cl-分別以正負(fù)離子的形式存在，其溶液的離子導(dǎo)電能力與溶液濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫度的環(huán)境中時(shí)，若環(huán)境相對(duì)濕度高，由于Li+對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，溶液將吸收水分，濃度降低，因此，溶液導(dǎo)電能力隨之下降，電阻率增高；反之，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí)，溶液濃度升高，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，電阻率下降。由此可見，氯化鋰濕敏電阻的阻值會(huì)隨環(huán)境相對(duì)濕度的改變而變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測量。6.5.2濕敏電阻的類型及原理1.氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻感濕特性曲線如圖6-34所示。圖中吸濕和脫濕曲線不重合，是因?yàn)闈衩粼鼭窈兔摑竦捻憫?yīng)時(shí)間是不相同的，一般總是脫濕比吸濕滯后，這種現(xiàn)象稱為濕滯現(xiàn)象。吸濕和脫濕曲線所構(gòu)成的回線稱為濕滯回線。在濕滯回線上對(duì)于同一相對(duì)濕度下的不同感濕特征量的最大差值稱為濕滯回差。一般高濕時(shí)的回差比低濕時(shí)大。圖6-34氯化鋰濕敏電阻感濕特性6.5.2濕敏電阻的類型及原理2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻陶瓷式電阻濕敏傳感器通常是由兩種以上金屬氧化物混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷，是根據(jù)感濕材料吸附水分后其電阻率會(huì)發(fā)生變化的原理來進(jìn)行濕度檢測。這些材料有ZnO-LiO-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻按其結(jié)構(gòu)可以分為燒結(jié)型和涂覆膜型兩大類。6.5.2濕敏電阻的類型及原理2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻（1）燒結(jié)型濕敏電阻感濕體為MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷，利用它制得的濕敏元件，具有使用范圍寬、濕度溫度系數(shù)小、響應(yīng)時(shí)間短，對(duì)其進(jìn)行多次加熱清洗之后性能仍較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。圖6-35燒結(jié)型濕敏電阻結(jié)構(gòu)6.5.2濕敏電阻的類型及原理2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻（2）涂覆膜型Fe3O4濕敏器件Fe3O4濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成，采用滑石瓷作為基片材料，該材料吸水率低，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)物理性能穩(wěn)定。在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印制成梳狀金電極，將純凈的膠粒用水調(diào)制成適當(dāng)黏度的漿料，然后涂在梳狀金電極的表面，涂覆的厚度要適當(dāng)，一般在20μm～30μm左右，然后進(jìn)行熱處理和老化，引出電極后即可使用。由于Fe3O4感濕膜是松散的微粒集合體，缺少足夠的機(jī)械強(qiáng)度，微粒之間依靠分子力和磁力的作用，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，微粒之間的接觸呈凹狀，微粒間的接觸電阻很大，所以Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當(dāng)空氣的相對(duì)濕度增大時(shí)，F(xiàn)e3O4感濕膜吸濕，由于水分子的附著，擴(kuò)大了顆粒間的接觸面，降低了粒間的電阻和增加更多的導(dǎo)流通路，所以元件阻值減?。划?dāng)處于干燥環(huán)境中，F(xiàn)e3O4感濕膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。因而這種器件具有負(fù)感濕特性，電阻值隨著相對(duì)