化學傳感器教材

第11章化學傳感器氣體的成份與濃度離子或電解質濃度空氣濕度11.1半導體氣敏傳感器11.2半導體濕敏傳感器化學傳感器：能將各種化學物質特性的變化定性或定量地轉化為電信號的傳感器下頁返回氣敏傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件。它將氣體種類及其濃度有關的信息轉換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息。11.1氣敏傳感器

下頁上頁返回氣敏傳感器的性能要求

對被測氣體具有較高的靈敏度對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感性能穩(wěn)定，重復性好動態(tài)特性好，對檢測信號響應迅速使用壽命長制造成本低，使用與維護方便等專一性下頁上頁返回氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性靈敏度：對被測氣體(種類)的敏感程度

或

響應時間：對被測氣體濃度的響應速度選擇性：指在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類的能力穩(wěn)定性：當被測氣體濃度不變時，若其他條件發(fā)生改變，在規(guī)定的時間內氣敏元件輸出特性保持不變的能力溫度特性：氣敏元件靈敏度隨溫度變化而變化的特性濕度特性：氣敏元件靈敏度隨環(huán)境濕度變化而變化的特性電源電壓特性：指氣敏元件靈敏度隨電源電壓變化而變化的特性時效性：反映元件氣敏特性穩(wěn)定程度的時間，就是時效性互換性：同一型號元件之間氣敏特性的一致性，反映了其互換性

下頁上頁返回氣敏傳感器的分類類型原理檢測對象特點半導體式

若氣體接觸到加熱的金屬氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，電阻值會增大或減小還原性氣體、城市排放氣體、丙烷氣等靈敏度高，構造與電路簡單，但輸出與氣體濃度不成比例接觸燃燒式

可燃性氣體接觸到氧氣就會燃燒，使得作為氣敏材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大燃燒氣體輸出與氣體濃度成比例，但靈敏度較低化學反應式利用化學溶劑與氣體反應產(chǎn)生的電流、顏色、電導率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等氣體選擇性好，但不能重復使用光干涉式利用與空氣的折射率不同而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象與空氣折射率不同的氣體，如CO2等壽命長，但選擇性差熱傳導式根據(jù)熱傳導率差而放熱的發(fā)熱元件的溫度降低進行檢測

與空氣熱傳導率不同的氣體，如H2等構造簡單，但靈敏度低，選擇性差紅外線吸收散射式由于紅外線照射氣體分子諧振而吸收或散射量進行檢測CO、CO2等能定性測量，但裝置大，價格高下頁上頁返回11.1.2半導體式氣敏傳感器的工作原理概念利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質發(fā)生變化的原理來檢測特定氣體的成分或者濃度。分類下頁上頁返回半導體式氣敏傳感器

電阻式

燒結型

薄膜型

厚膜型

二極管氣敏傳感器

MOS二極管氣敏傳感器

Pd—MOSFET氣敏傳感器非電阻式

利用與氣體接觸后特性的變化（如二極管伏安特性和場效應管的閾值電壓變化）來檢測被測氣體成分濃度。利用與氣體接觸后電阻值的變化來檢測被測氣體成分濃度。電阻式氣敏傳感器下頁上頁返回1.材料和結構 許多金屬氧化物具有氣敏效應，這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的材料，因此稱之為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。由于半導瓷與半導體單晶相比具有工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實用價值的敏感元件。在諸多的半導體氣敏元件中，用氧化錫(SnO2)制成的元件具有結構簡單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號處理容易等一系列優(yōu)點，應用最為廣泛。 電阻型半導體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結晶粒子燒結體，當它的表面吸附有被測氣體時，半導體微結晶粒子接觸介面的導電電子比例就會發(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。電阻值的變化是伴隨著半導體表面對氣體的吸附和釋放產(chǎn)生的，為加快反應，通常需要加熱器對氣敏元件加熱。加熱器可使附著在探測部分處的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體氧化還原反應，從而提高元件的靈敏度和響應速度，一般加熱到200℃～400℃。

2.基本原理下頁上頁返回

N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖

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當半導體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其阻值急劇下降，阻值發(fā)生變化的時間(稱響應時間)不到1min，然后上升，經(jīng)2min～10min后達到穩(wěn)定，這段時間為初始穩(wěn)定時間，元件只有在達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。當電阻值處于穩(wěn)定值后，會隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其電阻的變化規(guī)律視氣體的性質而定：被測氣體是氧化性氣體(如O2和NOx)，被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使N型半導體中載流子電子減少，因而電阻值增大。被測氣體為還原性氣體(如H2、CO、酒精等)，氣體分子向氣敏元件釋放電子，使N型半導體中載流子電子增多，因而電阻值下降?？梢姡合马撋享摲祷匾?guī)律氧化型氣體＋N型半導體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體＋N型半導體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體＋P型半導體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體＋P型半導體：載流子數(shù)下降，電阻增加

下頁上頁返回SnO2(N型半導體）的靈敏度特性和溫－濕度特性下頁上頁返回SnO2氣敏電阻的基本檢測電路下頁上頁返回主要類型

燒結型氣敏器件

薄膜型氣敏器件

厚膜型氣敏器件下頁上頁返回燒結型氣敏器件

燒結型氣敏器件的制作是將一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些摻雜劑（Pt、Pb等）用水或粘合劑調合，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將混合好的膏狀物倒入模具，埋入加熱絲和測量電極，經(jīng)傳統(tǒng)的制陶方法燒結。最后將加熱絲和電極焊在管座上，加上特制外殼就構成器件。該類器件分為兩種結構：直熱式和旁熱式。

下頁上頁返回直熱式氣敏器件

直熱式器件管芯體積很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導體材料內，兼作一個測量極缺點：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測量電路與加熱電路之間相互干擾，影響其測量參數(shù)；加熱絲在加熱與不加熱兩種情況下產(chǎn)生的膨脹與冷縮，容易造成器件接觸不良。下頁上頁返回

旁熱式氣敏器件

旁熱式氣敏器件是把高阻加熱絲放置在陶瓷絕緣管內，在管外涂上梳狀金電極，再在金電極外涂上氣敏半導體材料。克服了直熱式結構的缺點，器件的穩(wěn)定性得到提高。下頁上頁返回薄膜型氣敏器件

制作采用蒸發(fā)或濺射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極。實驗證明：SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好。優(yōu)點：靈敏度高、響應迅速、機械強度高、互換性好、產(chǎn)量高、成本低等。下頁上頁返回厚膜型氣敏器件

厚膜型氣敏器件是將SnO2和ZnO等材料與3％～15％重量的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到裝有鉑電極的氧化鋁基片上，在400～800℃高溫下燒結1～2小時制成。優(yōu)點：一致性好，機械強度高，適于批量生產(chǎn)。

下頁上頁返回電阻式氣敏傳感器的特點

優(yōu)點：工藝簡單，價格便宜，使用方便；氣體濃度發(fā)生變化時響應迅速；即使是在低濃度下，靈敏度也較高。缺點：穩(wěn)定性差，老化較快，氣體識別能力不強，各器件之間的特性差異大等。

下頁上頁返回礦井瓦斯超限報警器工作原理圖

11.1.3氣敏傳感器的應用下頁上頁返回氣敏電阻放大電路加熱電源比較器電路觸發(fā)電路晶閘管電路排風扇溫度補償喇叭聲光報警驅動電路閃光指示油煙(煤氣)

自動通風扇的原理框圖

TGSl09型氣敏傳感器結構圖

自動通風扇下頁上頁返回

家用有毒氣體報警器電路圖

家用有毒氣體報警器下頁上頁返回11.2濕敏傳感器

11.2.1濕敏傳感器的基本概念及分類11.2.2常用濕敏傳感器的基本原理11.2.3濕敏傳感器的應用

下頁上頁返回

濕度的定義及其表示方法

所謂濕度，是指大氣中水蒸氣的含量。它通常有如下幾種表示方法：絕對濕度（AH）相對濕度（%RH）露點下頁上頁返回

絕對濕度（AbsoluteHumidity-AH）

絕對濕度是指單位體積空氣內所含水蒸氣的質量，其數(shù)學表達式為

絕對濕度給出了水分在空氣中的具體含量。下頁上頁返回

相對濕度（RelativeHumidity-RH）

相對濕度是指待測空氣中實際所含的水蒸氣分壓與相同溫度下飽和水蒸氣壓比值的百分數(shù)。數(shù)學表達式為：

相對濕度給出了大氣的潮濕程度。實際中常用。下頁上頁返回

露點（溫度）

在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當溫度下降到某一特定值時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結成露珠，這種現(xiàn)象稱為結露，這一特定溫度稱為露點溫度。下頁上頁返回濕敏傳感器：

是一種能將被測環(huán)境濕度轉換成電信號的裝置。主要由兩個部分組成：濕敏元件和轉換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補償、輸出顯示設備等。

下頁上頁返回理想濕敏傳感器應具備的性能

使用壽命長，穩(wěn)定性好靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)小使用范圍寬，測量精度高響應迅速濕滯回差小，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在易測范圍內下頁上頁返回濕敏傳感器的主要參數(shù)及特性

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)隨濕度變化的特性濕度量程

濕敏傳感器的感濕范圍

靈敏度

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濕滯特性

同一濕敏傳感器吸濕過程（相對濕度增大）和脫濕過程（相對濕度減?。└袧裉匦郧€不重合的現(xiàn)象就稱為濕滯特性。下頁上頁返回響應時間

指在一定環(huán)境溫度下，當被測相對濕度發(fā)生躍變時，濕敏傳感器的感濕特征量達到穩(wěn)定變化量的規(guī)定比例所需的時間。一般以相應的起始濕度到終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間的90%的相對濕度變化所需的時間來進行計算。感濕溫度系數(shù)

當被測環(huán)境濕度恒定不變時，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)。老化特性

老化特性是指濕敏傳感器在一定溫度、濕度環(huán)境下存放一定時間后，其感濕特性將會發(fā)生改變的特性。下頁上頁返回濕敏傳感器的分類

界限電流式濕敏傳感器濕敏傳感器電阻式電容式其它電解質式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纖濕敏傳感器二極管式、石英振子、SAW式、微波式、熱導式等下頁上頁返回11.2.2常用濕敏傳感器的基本原理

電阻式濕敏傳感器電容式濕敏傳感器

下頁上頁返回電阻式濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來進行工作的，其感濕特征量為電阻值。根據(jù)使用感濕材料的不同，電阻式濕敏傳感器可分為：電解質式陶瓷式高分子式下頁上頁返回

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。環(huán)境相對濕度高，LiCl溶液吸收水分，濃度降低，電阻率增加；環(huán)境相對濕度低，LiCl溶液濃度增加，電阻率下降，從而實現(xiàn)對濕度的測量。電解質式（氯化鋰）電阻濕敏傳感器下頁上頁返回LiCl濕敏電阻結構示意圖

下頁上頁返回氯化鋰濕度—電阻特性曲線

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氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風速影響，檢測精度可達±５%。

缺點：耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能重復性不理想，使用壽命短。下頁上頁返回陶瓷式電阻濕敏傳感器下頁上頁返回

陶瓷式電阻濕敏傳感器是一種電阻型的傳感器，根據(jù)微粒堆集體或多孔狀陶瓷體的感濕材料吸附水分可使電導率改變這一原理檢測濕度。由于具有使用壽命長，可在惡劣條件下工作，響應時間短，測量精度高，測溫范圍寬(常溫濕敏傳感器的工作溫度在150℃以下，高溫濕敏傳感器的工作溫度可達800℃)，工藝簡單，成本低廉等優(yōu)點，所以是目前應用較為廣泛的濕敏傳感器。

制造半導體陶瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類型的金屬氧化物。有些半導體陶瓷材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱為負特性濕敏半導體陶瓷，還有一類半導體陶瓷材料的電阻率隨濕度增大而增大，稱為正特性濕敏半導體陶瓷。

負特性陶瓷式濕敏傳感器Fe3O4半導瓷的正濕敏特性特性下頁上頁返回半導體陶瓷材料的導電機理分類下頁上頁返回陶瓷式電阻濕敏傳感器的特點

傳感器表面與水蒸氣的接觸面積大，易于水蒸氣的吸收；陶瓷燒結體能耐高溫，物理、化學性質穩(wěn)定，適合采用加熱去污的方法恢復材料的濕敏特性；可以通過調整燒結體表面晶粒、晶粒界和細微氣孔的構造，改善傳感器濕敏特性。下頁上頁返回高分子式電阻濕敏傳感器

利用高分子電解質吸濕而導致電阻率發(fā)生變化的原理進行測量。當水吸附在強極性基高分子上時，隨著濕度的增加吸附量增大，吸附水之間凝聚呈液態(tài)水狀態(tài)。在低濕吸附量少的情況下，由于沒有荷電離子產(chǎn)生，電阻值很高；當相對濕度增加時，凝聚化的吸附水就成為導電通道，高分