傳感器技術(shù)與應(yīng)用 第5版 課件 第8章 氣體和濕度傳感器

第8章氣體和濕度傳感器

8.1氣體傳感器

8.2濕度傳感器

8.3氣體和濕度傳感器的應(yīng)用

8.4實(shí)訓(xùn)

8.1氣體傳感器氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來,并將它轉(zhuǎn)換為電信號的器件。提供有關(guān)待測氣體的存在及濃度大小的信息。

主要檢測對象和應(yīng)用場所見表8-1。表8-1氣敏傳感器主要檢測對象及其應(yīng)用場所分類檢測對象氣體應(yīng)用場合易燃易爆氣體液化石油氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣、天然氣甲烷氫氣家庭用煤礦冶金、試驗(yàn)室有毒氣體一氧化碳（不完全燃燒的煤氣）硫化氫、含硫的有機(jī)化合物鹵素，鹵化物，氨氣等煤氣灶等石油工業(yè)、制藥廠冶煉廠、化肥廠環(huán)境氣體氧氣（缺氧）水蒸氣（調(diào)節(jié)濕度，防止結(jié)露）大氣污染（SOx,NOx,CL2等）地下工程、家庭電子設(shè)備、汽車、溫室工業(yè)區(qū)工業(yè)氣體燃燒過程氣體控制，調(diào)節(jié)燃/空比一氧化碳（防止不完全燃燒）水蒸氣（食品加工）內(nèi)燃機(jī)，鍋爐內(nèi)燃機(jī)、冶煉廠電子灶其它災(zāi)害煙霧，司機(jī)呼出酒精火災(zāi)預(yù)報(bào)，事故預(yù)報(bào)氣體傳感器的性能必須滿足下列條件：（1）能夠檢測并能及時(shí)給出報(bào)警、顯示與控制信號；（2）對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；（3）性能穩(wěn)定性、重復(fù)性好；（4）動態(tài)特性好、響應(yīng)迅速；（5）使用、維護(hù)方便，價(jià)格便宜。8.1.1半導(dǎo)體氣體傳感器利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，來檢測氣體的成分或濃度。半導(dǎo)體氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式兩大類。見表8-2。電阻式是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作。非電阻式是一種半導(dǎo)體器件。表8-2半導(dǎo)體氣體傳感器的分類主要的物理特性傳感器舉例工作溫度代表性被測氣體電阻式表面控制型氧化錫、氧化鋅室溫～450οC可燃性氣體體控制型LaI-xSrxCoO3，F(xiàn)eO氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、氧化錫300～450οC700οC以上酒精、可燃性氣體、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫乙醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫～200οC氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場效應(yīng)管150οC氫氣、硫化氫1.表面控制型氣體傳感器平常器件工作在空氣中，

空氣中的O2和NO2，接受來自N型半導(dǎo)體材料敏感膜的電子吸附。

表現(xiàn)為N型半導(dǎo)體材料敏感膜的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子數(shù)減少，表面電導(dǎo)率減小，器件處于高阻狀態(tài)。一旦器件與被測氣體接觸，

就會與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，

使敏感膜表面電導(dǎo)率增大，器件電阻減少。

目前常用的材料為氧化錫和氧化鋅等較難還原的氧化物，也有研究用有機(jī)半導(dǎo)體材料的。在這類傳感器中一般均參有少量貴金屬（如Pt等）作為激活劑。這類器件目前已商品化的有SnO2、ZnO等氣體傳感器。2.體電阻控制型氣體傳感器體控制型電阻式氣體傳感器是利用體電阻的變化來檢測氣體的半導(dǎo)體器件。檢測對象主要有：液化石油氣，主要是丙烷；煤氣，主要是CO、H2；天然氣，主要是甲烷。例如利用SnO2氣敏器件可設(shè)計(jì)酒精探測器，

當(dāng)酒精氣體被檢測到時(shí)，氣敏器件電阻值降低，測量回路有信號輸出，提供給電表顯示或指示燈發(fā)亮。氣敏器件工作時(shí)要提供加熱電源。3.非電阻型氣體傳感器二極管氣體傳感器是利用一些氣體被金屬與半導(dǎo)體的界面吸收，

對半導(dǎo)體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)的影響，而使二極管整流特性發(fā)生性質(zhì)變化而制成。場效應(yīng)管FET型氣體傳感器是根據(jù)柵壓域值的變化來檢測未知?dú)怏w。電容型氣體傳感器是根據(jù)CaO—BaTiO3等復(fù)合氧化物隨CO2濃度變化、其靜電容量有很大變化而制成。8.1.2固體電解質(zhì)式氣體傳感器

這類傳感器內(nèi)部不是依賴電子傳導(dǎo)，而是靠陰離子或陽離子進(jìn)行傳導(dǎo)。因此，把利用這種傳導(dǎo)性能好的材料制成的傳感器稱為固體電解質(zhì)傳感器。8.1.3接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式氣體傳感器是將白金等金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對金屬線圈通以電流，使之保持在300~600οC的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進(jìn)一步使金屬絲升溫，造成器件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓可測得可燃性氣體的濃度。8.1.4電化學(xué)式氣體傳感器1.離子電極型氣體傳感器由電解液、固定參照電極和pH電極組成。通過透氣膜使被測氣體和外界達(dá)到平衡。以被測氣體為CO2為例，在電解液中達(dá)到如下化學(xué)平衡：

CO2+H2O=H++HCO3―

根據(jù)pH值就能知道CO2

的濃度。2.加伐尼電池式氣體傳感器由隔離膜、鉛電極（陽）、電解液、白金電極（陰）組成一個(gè)加伐尼電池。當(dāng)被測氣體通過聚四氟乙烯隔膜擴(kuò)散到達(dá)負(fù)極表面時(shí)，即可發(fā)生還原反應(yīng)。溶液中產(chǎn)生電流，流過外電路。該電流數(shù)值和氣體的速度成比例。3.定位電解法氣體傳感器由工作電極、輔助電極及參比電極以及聚四氟乙烯制成的透氣隔離膜組成，在電極間充以電解液。

圖8-1所示為定位電解法氣體傳感器氣體濃度測試電路，圖中NAP－505為日本生產(chǎn)的小型、低功耗一氧化碳傳感器。一氧化碳通過透氣膜進(jìn)入電解液到達(dá)工作電極（W）表面，工作電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)：CO＋H2O→CO2＋2H＋＋2e－

圖8-1定位電解法一氧化碳?xì)怏w濃度測試電路

產(chǎn)生的電子在工作電極上，產(chǎn)生的氫離子在工作電極旁的電解液中。電子使工作電極產(chǎn)生負(fù)電壓，電子由外電路向輔助電極（C）流動。

氫離子在電解液中向輔助電極流動，接收輔助電極上的電子和電極旁的氧氣，發(fā)生還原反應(yīng)：2H＋＋O2／2＋2e－→H2O

參比電極（R）表面同樣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的電子使參比電極產(chǎn)生負(fù)電壓，該電壓由運(yùn)算放大器IC2組成的積分電路積分，積分輸出電壓加在工作電極和輔助電極之間，以保持工作電極電壓穩(wěn)定，不隨電子流出而下降。

工作電極流出的電流（電子）與一氧化碳濃度成比例。電流在10Ω電阻上產(chǎn)生電壓，由運(yùn)算放大器IC1放大輸出，可知一氧化碳濃度。8.1.5集成型氣體傳感器一類是把敏感部分、加熱部分和控制部分集成在同一基片上，以提高器件的性能；另一類是把多個(gè)具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個(gè)基片上。用微機(jī)處理和信號識別的方法對被測氣體進(jìn)行有選擇性的測定，這樣既可以對氣體進(jìn)行識別又可以提高檢測靈敏度。8.1.6煙霧傳感器煙霧是比氣體分子大得多的微粒懸浮在氣體中形成的，必須利用微粒的特點(diǎn)檢測。1.散射式在發(fā)光管和光敏元件之間設(shè)置遮光屏，無煙霧時(shí)光敏元件接收不到光信號，有煙霧時(shí)借助微粒的散射光使光敏元件發(fā)出電信號，如圖8-2所示。這種傳感器的靈敏度與煙霧種類無關(guān)。圖8-2散射式煙霧傳感器

2.離子式如圖8-3所示，用放射性同位素镅Am241放射出微量的α射線，使附近空氣電離。當(dāng)平行平板電極間有直流電壓時(shí)，產(chǎn)生離子電流IK。有煙霧時(shí)，微粒將離子吸附，而且離子本身也吸收α射線，其結(jié)果是離子電流IK減小。μA+––+Am圖8-3離子式煙霧傳感器

8.2濕度傳感器8.2.1概述濕度是指物質(zhì)中所含水蒸氣的量，目前的濕度傳感器多數(shù)是測量氣氛中的水蒸氣含量。通常用絕對濕度、相對濕度和露點(diǎn)（或露點(diǎn)溫度）來表示。1.絕對濕度絕對濕度是指單位體積的氣氛中含水蒸氣的質(zhì)量，其表達(dá)式為2.相對濕度（RH）相對濕度為待測氣氛中水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分?jǐn)?shù)。3.露點(diǎn)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(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。此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)或露點(diǎn)溫度。如果這一特定溫度低于0οC，水汽將凝結(jié)成霜。

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)變?yōu)殡娦盘柕哪芰?。其主要特性有以下幾點(diǎn)：(1)感濕特性感濕特性為濕度傳感器特征量（如：電阻值、電容值、頻率值等）隨濕度變化的關(guān)系。常用感濕特征量和相對濕度的關(guān)系曲線來表示，如圖8-4所示。圖8-4濕度傳感器的感濕特性(2)濕度量程濕度量程為濕度傳感器技術(shù)規(guī)范規(guī)定的感濕范圍（RH值，相對濕度）。全量程為（0~100%）。(3)靈敏度靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量（如：電阻、電容值等）隨環(huán)境濕度變化的程度，也是該傳感器感濕特性曲線的斜率。(4)濕滯特性濕度傳感器在吸濕過程和脫濕過程中吸濕與脫濕曲線不重合，而是一個(gè)環(huán)形回線，這一特性就是濕滯特性，如圖8-5所示。(5)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間為在一定環(huán)境溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的感濕特征量達(dá)到穩(wěn)定變化量的90%所需的時(shí)間。

圖8-5濕度傳感器的濕滯特性

(6)感濕溫度系數(shù)當(dāng)環(huán)境濕度恒定時(shí)，溫度每變化1οC，引起濕度傳感器感濕特征量的變化量。(7)老化特性濕度傳感器在一定溫度、濕度氣氛下存放一定時(shí)間后，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。(8)感濕特征量應(yīng)在易測范圍以內(nèi)8.2.2陶瓷濕度傳感器陶瓷表面多孔性吸濕后，導(dǎo)電阻值將發(fā)生改變。陶瓷濕敏元件隨外界濕度變化而使電阻值變化的特性便是用來制造濕度傳感器的依據(jù)。1.MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器是一種典型的多孔陶瓷濕度測量器件。具有靈敏度高、響應(yīng)特性好、測濕范圍寬和高溫清洗后性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已商品化。

結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。圖8-6MgCr2O4—TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.ZrO2系厚膜型濕度傳感器

ZrO2系厚膜型濕度傳感器的感濕層是用一種多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用堿金屬調(diào)節(jié)阻值的大小并提高其長期穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。

圖8-7ZrO2濕度傳感器的結(jié)構(gòu)圖1-印制的ZrO2感濕層（厚為幾十微米）；2-由多孔高分子膜制成的防塵過濾膜；3-用絲網(wǎng)印刷法印制的Au梳狀電極

；4-瓷襯底；5-電極引線8.2.3有機(jī)高分子濕度傳感器1.高分子電阻式濕度傳感器水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，所以電阻值較高。相對濕度增加時(shí)，吸附量也增加，集團(tuán)化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，正負(fù)離子對起到載流子作用，電阻值下降。稱為電阻式高分子濕度傳感器。2.高分子電容式濕度傳感器高分子材料吸水后，介電常數(shù)變化，引起電容的變化。當(dāng)含水量以水分子形式被吸附在高分子介質(zhì)膜中時(shí)，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)（3~6）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)（81），所以介質(zhì)中水的成分對總介電常數(shù)的影響比較大。使元件對濕度有較好的敏感性能。高分子電容式濕度傳感器如圖8-8所示。53412

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圖8-8高分子電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

1-微晶玻璃襯底；2-下電極；3-敏感膜；4-多孔浮置電極；5-引線3.結(jié)露傳感器利用了摻入碳粉的有機(jī)高分子材料吸濕后的膨潤現(xiàn)象。在高濕下，高分子材料的膨脹引起其中所含碳粉間距變化而產(chǎn)生電阻突變。利用這種現(xiàn)象可制成具有開關(guān)特性的濕度傳感器。其特性如圖8-9所示。020406080100100101102103104

電阻值KΩ相對靈敏度%RH圖8-9結(jié)露傳感器的特性曲線

8.2.4半導(dǎo)體濕度傳感器硅MOS型Al2Ｏ3濕度傳感器是在Si單晶上制成MOS晶體管。其柵極是用熱氧化法生長厚度為80nm的SiＯ2膜，在此SiＯ2膜上用蒸發(fā)及陽極化方法制得多孔Al2Ｏ3膜，然后再蒸鍍上多孔金（Au）膜而制成。響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高低溫沖擊。其結(jié)構(gòu)如圖8-10所示。SiO2

AlAl

Al2O3AuSi圖8-10MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

8.2.5含水量檢測通常將空氣或其它氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”。1.稱重法將被測物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD測出，含水量的百分?jǐn)?shù)便是：2.電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。3.電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此用電容法測物質(zhì)的介電常數(shù)從而測含水量相當(dāng)靈敏，造紙廠的紙張含水量便可用電容法測量。4.紅外吸收法水分對波長為1.94μm的紅外射線吸收較強(qiáng)，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81μm波長作為參比。由上述兩種波長的濾光片對紅外光進(jìn)行輪流切換，根據(jù)被測物對這兩種波長的能量吸收的比值便可判斷含水量。5.微波吸收法水分對波長為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對此波段的吸收要比水小幾十倍。利用這一原理可構(gòu)成測木材、煙草、糧食、紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。8.3氣體、濕度傳感器的應(yīng)用8.3.1煤氣濃度檢測電路M008是可以檢測多種可燃、有毒氣體的氣敏傳感器。

圖8-11所示為用M008設(shè)計(jì)的氣體濃度檢測電路。＋12V電源由H、H1端輸入，給M008加熱，A、B間的電阻值隨氣體濃度的增大而減小，電位器RP2活動臂的電壓則隨氣體濃度的增大而增大。

氣體濃度越高，RP2活動臂電壓越高，點(diǎn)亮發(fā)光二極管越多。圖8-11氣體濃度檢測電路8.3.2柔性傳感器柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可以自由彎曲、折疊。柔性傳感器結(jié)構(gòu)如圖8-12所示。

由柔性基體、電極、薄膜敏感材料及信號引出導(dǎo)線組成。圖8-12柔性傳感器結(jié)構(gòu)柔性基體由柔性材料做成。常見的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、紙片、紡織面料等。

常用的是聚酯、聚酰亞胺、聚萘二甲酯乙二醇酯三種。柔性傳感器的電極有金屬電極、導(dǎo)電氧化物電極、納米復(fù)合電極等類型。

用化學(xué)電鍍法、真空蒸鍍法、磁控濺射法等固定在柔性基底上。柔性傳感器敏感材料通常以薄膜的形式覆蓋在電極上。

有氣體、濕度、壓力、溫度、磁阻、熱流量等類型。

在電子皮膚、醫(yī)療保健、電子電工、運(yùn)動器材、紡織品、航天航空、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。8.3.3自動去濕裝置如圖8-13所示。

H為濕敏傳感器，Rs為加熱電阻絲。在常溫常濕情況下調(diào)好各電阻值，使V1導(dǎo)通，V2截止。圖8-13自動去濕裝置

當(dāng)陰雨等天氣使室內(nèi)環(huán)境濕度增大而導(dǎo)致H的阻值下降到某值時(shí)，RF與R2并聯(lián)之阻值小到不足以維持VT1導(dǎo)通。由于VT1截止而使VT2導(dǎo)通，其負(fù)