第9章 气湿敏传感器
第九章 气、湿敏传感器
第一节 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的 传感器。
分类：按构成气敏传感器材料：半导体、非半导体
按半导体与气体的相互作用的位置
表面控制型 体控制型
半 导 体
按半导体变化的物理性质
电阻型 非电阻型
气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所
一、电阻型半导体气敏材料的导电机理 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致 敏感元件阻值变化而制成。当半导体器件被加热到 稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附，被吸 附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分 解而化学吸附在吸附处。 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半 导体表面呈现电荷层。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则 吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。
2.钯－MOS场效应晶体管气敏器件
第二节
湿敏传感器
1.湿度传感器及其分类 湿度传感器是指大气中水蒸气的含量。通常采用绝对 湿度（AH）和相对湿度（％RH）来表示。
水分子易于吸 附在固体表面 并渗透到固体 内部的这种特 性称为水分子 亲和力
一、水分子亲和力型湿敏元件 1.氯化锂湿敏元件 氯化锂是电解质湿敏元件的代表。它是利用阻 值随环境相对湿度变化二变化的机理制成的测湿 元件。 结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积 或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配制的 氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成 了氯化锂湿敏元件，其结构如9-10（a）所示。
（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时， 导致其表面层电子浓度下降，但是还不足以使表 面层的空穴浓度增加到出现反型层，此时仍以电 子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度的 下降而增大。
湿 敏 传 感 器
7 .0 6 .5 6 .0 5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40
吸附 脱附 1 5℃
电阻值的对数 /
50 60 70 80 相对 湿度 / %RH
90
半导体陶瓷湿敏电阻
• 电阻率随湿度增加而下降，称为负特性湿 敏半导体陶瓷，电阻率随湿度增加而增大， 称为正特性湿敏半导体陶瓷
塑料外壳 滤网 陶瓷烧结元件
氯化锂湿敏电阻
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子
导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、
基片、感湿层与电极组成， 如图所示。
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，环境相对
湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此， 其溶液电阻率增高。
1 4
2 3 1 —引线 ；2 —基片 ； 3 —感湿 层；4 —金电 极
＋
RP 100 k
C1 10
＋
47 k
* R2
A
多孔金电极
引线
树脂固封
MCS型Fe3O4湿敏器件
电阻 / a b c d e 5℃ 1 5℃ 2 5℃ 3 5℃ 4 5℃
6 10
a b c d e5 104 103 10 2040
60
80
相对湿度 / %RH
直读式湿度计
• 直读式湿度计电路，其中RH为氯化锂湿 度传感器。 由V1、V2、T1等组成测湿电 桥的电源，其振荡频率为250～1000 Hz。 电桥输出经变压器T2, C3耦合到V3，经V3 放大后的信号， 由VD1～VD4桥式整流后， 输入给微安表，指示出由于相对湿度的 变化引起电流的改变，经标定并把湿度 刻划在微安表盘上， 就成为一个简单而 实用的直读式湿度计了。
(6) 湿 敏 传 感 器
气敏和湿敏传感器
实验五气敏传感器实验实验目的：了解气敏传感器的原理与应用。
所需单元：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、MQ3气敏传感器、主、副电源。
旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档、F/V表置2V档、差动放大器增益置最小、电桥单元中的W1逆时针旋到底、主、副电源关闭。
实验步骤：1.仔细阅读后面附上的“使用说明”，差动放大器的输入端(+)、(-) 与地短接，开启主、副电源，将差动放大器输出调零。
2．关闭主、副电源，按图4接线。
图 43．开启主、副电源，预热约5分钟，用浸有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥发并进入传感器金属网内，同时观察电压表的数值变化，此时电压读数。
它反映了传感器AB两端间的电阻随着发生了变化。
说明MQ3检测到了酒精气体的存在与否，如果电压表变化不够明显，可适当调大“差动放大器”增益。
思考题：如果需做成一个酒精气体报警器，你认为还需采取哪些手段？提示：1.需进行浓度标定；2.在电路上还需增加……。
附：MQ系列气敏元件使用说明一、特点1．具有很高的灵敏度和良好的选择性。
2．具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
二、结构、外形、元件符合1．MQ系列气敏元件的结构和外形如图4A所示，由微型AL203陶瓷管、SN02敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢网的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
2．好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个脚用于信号取出，2个脚用于提供加热电流。
图4A三、性能1．标准回路：如图4B所示，MQ气敏元件的标准测试问路由两部分组成。
其一为加热回路。
其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。
图4B2．传感器的表面电阻Rs的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号Vrl输出而获得的。
二者之间的关系表述为RS/RL=(VC-VRL)/VRL3。
3．标准工作条件：4．环境条件5．灵敏度特性气敏传感器实验实物连接图接线方法：1. 直流稳压电源旋钮调到±4V；2. V+插孔与f①和A③串联；3. f②与电桥平衡中②及差动放大器正输入孔②串联,并与黑色接地孔接通；4. B④与电桥平衡中④及差动放大器负输入空④相连接；5. 差动放大器输出端⑤与F/V表的Vi孔连接。
传感技术第九章 气、湿敏传感器
2、相对湿度和绝对湿度
水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中 存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度 下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越 高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压 同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度
RH p 100 % ps
电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂 上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度 升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种 多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而 制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂 覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材 料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。 制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易 于和半导体电路集成在一起。
以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时， 加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧 掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵 敏度和响应速度，一般加热到200--400℃，具体 温度视所掺杂质不同而异。
这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜， 使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在 低浓度(3000mg/kg)下，灵敏度也很高。其缺点 在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强， 各器件之间的特性差异大等。
（2）气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指
标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏 元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。
（3）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响
湿敏传感器工作原理
湿敏传感器工作原理
湿敏传感器是一种用于检测环境湿度的传感器。
其工作原理基于湿度对特定材料的电学性质的影响。
湿敏传感器一般由两个电极、一个或多个感湿材料以及一个外壳组成。
感湿材料通常是一种亲水性高的聚合物，如改性聚醚硅橡胶。
当环境中的湿度变化时，感湿材料会吸湿或释湿，导致其电阻值发生变化。
具体来说，湿敏传感器的两个电极与感湿材料在电的连接上并行排列。
当环境湿度低时，感湿材料中的水分含量较低，电阻较大。
而当环境湿度增加时，感湿材料中的水分含量增加，导致材料的电导率增加，电阻减小。
通过测量电阻的变化，就可以反映出环境湿度的变化。
一般来说，湿敏传感器的电阻与湿度之间存在着一定的线性关系。
因此，可以通过校准传感器并使用一定的算法来将电阻值转换成湿度值。
湿敏传感器可广泛应用于气候监测、室内湿度调节控制、农业、仓储、电子设备和医疗设备等领域。
传感器 第9章 气、湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器• 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。
• 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。
9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件• 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。
• 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体外表，还是涉及到内部，分为： 外表控制型；体控制型。
按照半导体变化的物理特性:电阻式；非电阻式。
• 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；• 非电阻式半导体气敏元件那么是根据气体的吸附和反响，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。
• 气敏元件至少都必须具备如下条件：① 对气体的敏感现象是可逆的；② 单位浓度的信号变化量大；③ 能检测出的下限浓度低；④ 响应重复特性良好；⑤ 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感；⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小；⑦ 性能长期稳定，结构比拟简单。
9.1.2 外表控制型电阻式半导体气敏元件• 这种类型的气敏元件是利用半导体外表因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。
它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。
气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难复原的氧化物。
为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。
1．结构通常主要由三局部组成：① 气体敏感元件；② 对敏感元件进行加热的加热器；③ 支持上述部件的封装局部。
以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型2SnO 气敏元件是以多孔质陶瓷2SnO 为基材(粒度在1μm 以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。
烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。
这种元件主要用于检测复原性气体、可燃性气体和液体蒸气。
湿敏传感器工作原理
湿敏传感器工作原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠湿敏传感器的工作原理。
你说这湿敏传感器啊，就像是一个特别敏感的“湿度小精灵”。
它呀，对周围环境的湿度变化那叫一个敏感哟！就好像我们人对天气的冷热有感觉一样。
想象一下，湿敏传感器就像是一个小小的侦探，时刻在监测着空气中的水分含量。
它里面有一些特别的材料，这些材料会根据湿度的不同而发生变化。
比如说，湿度变高了，这些材料可能就会膨胀或者电阻发生改变；要是湿度降低了，它们又会有不一样的反应呢。
这不就跟咱人一样嘛，热了会出汗，冷了会打哆嗦。
湿敏传感器就是通过这些细微的变化来感知湿度的。
而且啊，它的反应速度还挺快的，一旦湿度有了一点点波动，它马上就能察觉到，真的特别厉害呀！你想想看，在我们的日常生活中，湿敏传感器的作用可大了呢！比如在一些需要控制湿度的地方，像仓库啦、温室啦，它就能派上大用场。
它能告诉人们湿度是不是合适，需不需要调整。
这就好像你有一个贴心的小助手，时刻帮你留意着周围的情况。
还有啊，在一些对湿度要求很高的设备里，湿敏传感器也是不可或缺的。
要是没有它，说不定那些设备就不能正常工作啦！它就像是一个默默无闻的守护者，虽然我们平时可能不太注意到它，但它却一直在那里发挥着重要的作用呢。
湿敏传感器的种类也有不少呢！有的很简单，有的就比较复杂啦。
但不管是哪种，它们的目的都是一样的，就是要准确地检测出湿度的变化。
这就像是不同的人有不同的性格，但大家都在为了生活努力奋斗一样。
哎呀，说了这么多，你是不是对湿敏传感器的工作原理有了更清楚的了解啦？反正我是觉得它真的很神奇呢！它能让我们更好地掌握周围环境的湿度情况，让我们的生活变得更加舒适和便利。
所以说啊，科技的力量真的是不容小觑呀！湿敏传感器虽然看起来小小的，但它却有着大大的能量。
它让我们的生活变得更加美好，难道不是吗？你们说呢？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
湿敏传感器的原理和应用
湿敏传感器的原理和应用简介湿敏传感器（Humidity Sensor）是一种用来感测环境湿度变化的传感器。
它可以将湿度信息转换成电信号，常见的应用包括气象观测、室内环境监测和工业控制等领域。
本文将介绍湿敏传感器的工作原理和常见的应用场景。
工作原理湿敏传感器根据材料在不同湿度下的电学特性变化原理来进行湿度测量。
一般来说，湿敏传感器由感湿元件和信号处理电路两部分组成。
感湿元件感湿元件通常采用一种特殊的湿敏材料，它的电阻或电容随着湿度的变化而发生改变。
最常见的湿敏材料包括聚合物、陶瓷和纳米材料等。
当湿敏材料吸湿或失湿时，其内部结构会发生变化，导致电阻或电容的变化。
信号处理电路湿敏传感器的信号处理电路主要负责将感湿元件产生的变化信号转换成相应的湿度数值。
一般来说，信号处理电路会将传感器输出的电信号进行放大、滤波和可视化处理。
最终得到的数据可以通过数字或模拟接口输出。
应用场景湿敏传感器在各个领域有广泛的应用。
下面列举了几个常见的应用场景：1.气象观测：湿敏传感器可以被用于测量空气中的相对湿度，这对于气象观测和天气预报非常重要。
通过配合其他传感器，可以得到更准确的气象数据。
2.室内环境监测：湿敏传感器可以被用于室内环境监测系统中，实时监测室内湿度的变化。
这对于维持室内舒适度、防止霉菌生长以及保护物品有重要作用。
3.农业领域：湿敏传感器可以被用于农田灌溉系统中，根据土壤湿度的变化来自动进行灌溉控制。
这可以提高农作物的生长效果，同时节省水资源。
4.智能家居：湿敏传感器可以被用于智能家居系统中，监测居住环境中的湿度变化。
通过智能家居控制中心，可以实现对加湿器、抽湿机等设备的智能控制。
5.工业应用：湿敏传感器可以被用于工业过程控制中，监测生产环境的湿度变化。
这对于某些工艺过程的稳定性和质量控制非常重要。
总结湿敏传感器是一种广泛应用于各个领域的传感器，其工作原理基于湿敏材料的电学特性变化。
通过信号处理电路的处理，可以将湿度信息转换成相应的数字或模拟信号输出。
湿敏传感器概述
三、浴室环境湿度检测实现
浴室中的水蒸气很大，会使其中的镜子功能丧失，当浴 室的湿度达到一定程度时，镜面会结露，表面一层雾气，市 场上没有所谓的不结露镜面，而是都要安装镜面水汽清除器。
一般在常温洁净环境，连续使用的场合，应选用高分子湿 度传感器，这类精度高，稳定性好。在高温恶劣环境，应选 用加热清洗的陶瓷湿度传感器，这类传感器耐高温，通过定 期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂物， 使性能恢复。
电容式湿敏元件在80％RH以上高湿及100％RH以上结 露或潮解状态下，也难以检测。另外，不能将湿敏电容直 接浸入水中或长期用于结露状态，也不能用手摸或用嘴吹 其表面。 4、温度补偿：
通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻温度系数为0.1～0.3， 在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。
应用电子学院
《传感器技术》
水混合物）
露点会影响农作物的生长，
测量露点的仪器
结露也严重影响电子仪器的正常工作。 第11页/共25页
电子湿度计模块
第12页/共25页
封装后的 外形
电子式温湿度计
机械式湿度计
第13页/共25页
陶瓷湿度传感器特性曲线
在右图所示的陶瓷 湿度传感器特性曲 线中，纵坐标的标 度有何特点？ 其电阻率变化约有 多少个数量级？
相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽 压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法 当相对湿度达100%时，称饱和状态。
湿度检测方法：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露 点计法和阻容式湿度计法。
应用电子学院
《传感器技术》
第6页/共25页
• 湿敏传感器：就是一种能将被测环境湿度转换成电信号
器J 线圈通电，它的常开触点Ⅱ接通加热电源Ec，
气敏和湿敏传感器课件
当湿度变化时，传感器材料的介 电常数会发生变化，从而改变传 感器的电容值。
电阻式湿敏传感器的工作原理
原理：电阻式湿敏传感器通过测量电 阻值的变化来测量湿度。
当湿度变化时，传感器材料的电阻值 会发生变化，从而改变传感器的电阻 值。
湿敏传感器的应用场景
工业控制
在工业生产过程中，需要对环 境湿度进行精确控制，以确保
交叉学科合作
通过与其他学科如物理学、化学、生物学等进行合作研究，可以引入新的思想和理论，推动气敏和湿敏传感器技术的 创新发展。
应用场景拓展
针对不同应用场景开发定制化的气敏和湿敏传感器，以满足多样化的市场需求。例如，针对环保、医疗 、农业等领域的特殊需求，开发具有高精度、高稳定性的专用传感器。
06
气敏和湿敏传感器案例分析
THANKS
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工作原理
半导体型气敏传感器利用气体在半导体材料表面的吸附作用，引起半导体材料 电学性质的变化，从而输出电信号。
半导体材料
常见的半导体材料有SnO2、ZnO、TiO2等。
气敏传感器的应用场景
01
02
03
04
空气质量监测
用于监测室内外空气中的有害 气体，如CO、NOx、SO2等
。
环保监测
用于监测工业废气、汽车尾气 等有害气体排放。
法规限制
在一些应用领域，如环保监测、食品安全等，对气敏和湿敏传感器的精度和可靠性有很高 的要求。然而，由于技术限制和法规限制，一些高精度、高可靠性的传感器难以大规模生 产。
未来研究方向建议
新材料探索
为了提高气敏和湿敏传感器的性能，可以进一步探索新的敏感材料和制造工艺。例如，新型的纳米材料和生物材料有 可能为传感器技术带来突破性的进展。
气湿敏传感器实验
实验三十二气敏传感器实验一、实验目的：了解气敏传感器原理及应用。
二、实验仪器：气敏传感器、酒精、棉球（自备）、差动变压器实验模块三、实验原理：本实验所采用的SnO2（氧化锡）半导体气敏传感器属电阻型气敏元件；它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化：若气浓度发生，则阻值发生变化，根据这一特性，可以从阻值的变化得知，吸附气体的种类和浓度。
四、实验内容与步骤：1．将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板上传感器固定支架上。
2．按图32-1接线，将气敏传感器，接线端红色接＋5V加热电压，黑色接地；电压输出选择±10V，黄色线接+10V电压、蓝色线接Rw1上端。
3．将±15V直流稳压电源接入差动变压器实验模块中。
差动变压器实验模块的输出Uo 接主控台直流电压表。
打开主控台总电源，预热5分钟。
4．用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化。
图32-1五、实验报告1．酒精检测报警，常用于交通片警检查有否酒后开车，若要这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素？实验三十三湿敏传感器实验一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及应用范围。
二、实验仪器：湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球（自备）。
三、实验原理：湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位窨体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示。
湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。
实验使用中多用相对湿度概念。
湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。
高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。
第9章气敏湿敏传感器
3 4
Ir—Pd合金丝 (加热器兼电极)
(a)结构
13
24 （b)符号
图15.6 直热式气敏器件的结构和符号
旁热式气敏器件
旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内， 在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导 体材料，就构成了器件
克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高
电极 电极
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变 化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液 中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力 强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水 分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对 湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿 度的测量。
将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏
元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在
(103～105)Ω范围。
测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由
于地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即 使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测 定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环 境中进行测量。
9.2 湿敏传感器
9.2.1 湿敏传感器的基本概念及分类 9.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 9.2.3 湿敏传感器的应用
湿度的定义及其表示方法
所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。 它通常有如下几种表示方法： 绝对湿度（AH）absolute humidity 相对湿度（%RH）raletive humidity 露点
传感器(9 气敏、湿敏)
9.1.4应用举例 家用有毒气体探测报警器
一氧化碳、液化气，甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气 中达到一定浓度时．将危及人的健康与安全。此电路线路简单， 具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。
1.传感器
2.探测报警电路如图所示。
用QM—N10气敏传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、 高灵敏度的气敏元件。
9.2.6应用实例
1.烹调设备湿度控制的应用实例
湿敏传感器安装在烹调设备 的排气口，根据湿度变化控制烹调 过程的进行。
2. 湿度测量系统方框图
作业：
一、课后习题1、2。 二、简述电容式湿敏传感器的工作原理。 三、气敏传感器中加热器的作用是什么？ 四、设计家用有毒气体报警器的报警电路。 五、判断题： 1、当氧化性气体吸附到N型半导体上，还原性气体吸附 到P型半导体时，将使载流子增加，电阻减小。 ２、具有负离子吸附倾向的气体有02和NOx，称为氧化 性气体。 ３、气敏传感器使用时通常需要4分钟左右的预热时间。 ４、氯化锂湿敏传感器一般选用交流电供电源。 六、湿敏传感器通常由————、———、————三部 分组成。 气敏传感器由————、———、————三部分组 成。
2.陶瓷湿敏传感器
金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两种。 离子型陶瓷湿敏传感器：由绝缘材料制成的多微孔陶瓷元件 对水 分子具有物理吸附作用（毛细作用），因而在潮湿气氛中呈现出 H+离子，使元件的电导率增加。处于实用阶段的这类传感器分别 以：α-Fe2O3、K2CO3，ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。 电子型陶瓷湿敏元件：利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元 件电导率改变进行湿度测量。图9.15是氧化锆—氧化镁合成陶瓷湿 度传感器。电热元件用于加热（300~700 ℃ ）和清洗污物。外壳保 证传感器在高温下使用的热稳定性。这类传感器已应用于食品加工、 空调和干燥器等设备中。
项目九 湿敏
3—TiO2-MgO-Cr2O3系
②正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特参性阅湿几敏种半半导导瓷瓷的导电机理可以认为这类材料的结构、 电负子湿能敏量特状性态与图负和特Fe性3O材4 料有所不同。当水分子附着半导瓷的 表半面导使电瓷势的变正负湿时敏，特导性致其表面层电子浓度下降，但是还不足 以图使。表面由层两的图空可穴见浓，度当增加到出现反型程度，此时仍以电子导 电湿为主度。从于0 %是R，H表变面化电到阻将由于电子浓度的下降而加大。这一 类1半0导0 %瓷R材H料时的，表负面特电性阻将随湿度的增加而加大。如果某一种 半材导料瓷的，阻它值的均晶下粒间降的3个电阻并不比晶粒体内电阻大很多，那么 表数面量层电级阻，的而加正大特对性总材电阻并不起多大作用。不过，通用瓷敏 半料导体的材阻料都值是只多孔增的大，表面电导占的比例很大，故表面层电 阻了的约升1高倍，。必将引起总电阻值的明显升高；但是由于晶体内部 低料阻的支阻路值的 下存 降在 得， 那正 么特 明性显半。导瓷的总F电e3O阻4半的导升水分子亲和力型湿敏传感器，因为响应速度低、可 靠性较差，不能很好地满足人们的需要。随着其他技术 的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿敏传 感器。例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸 气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波湿敏传感器。 又如，利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构 成的红外湿敏传感器等。它们都能克服水分子亲和力型 湿敏传感器的缺点。因此，开发非水分子亲和力型湿敏 传感器是湿敏传感器重要的研究方向。关于这方面的内 容请参阅有关资料，本节不赘述。
烧结在多孔陶瓷圆片的两表 面上，并焊上Pt引线，然后 待敏感元件装入有网眼过滤
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半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻 值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而 被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分 子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而化学吸附在吸附处。当半导体的 功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)，则吸附分子将从器件 夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。例如O2等具有负离子吸 附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于 吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有 正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气 体或电子供给性气体。
薄膜型气敏器件。采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧 化物半导体薄膜。制作方法也很简单。实验证明，SnO2 半导体 薄膜的气敏特性最好；但这种半导体薄膜为物理性附着，器件 间性能差异较大
厚膜型气敏元件一般是把半导体氧化物粉末、添加剂、粘 合剂及载体混合成浆料,再把浆料印刷（丝网印刷）到基 片上（厚度数微米到数十微米）制成的,其灵敏度与烧结 体型的相当,工艺性、机械强度和性能的一致性都很好
护圈电极
陶瓷基板
镀镁电极 引线 陶瓷湿敏元件结构图
（1）电阻一湿度特性 MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相 对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对 数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变 为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。
20
0
10
20
30
t /s
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
（4）稳定性
制成的MgCr 2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验： 高温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间 104h)；高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃ ，交流电压5V，时间10 4 h)；常温常湿试验[湿度(10～ 90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；油气循环试验(油蒸 气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各 种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明 稳定性比较好。
该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部 分为粒间气孔,气孔直径随TiO 2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无 关, 相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外, 还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。
氧化钌电极 感湿陶瓷 加热器
相对湿度（RH,Relative Humidity） • 相对湿度定义为气体的水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气压的比 值。记为%RH
相对湿度 (
P V )T 100% P W
• 相对湿度也可定义为气体的绝对湿度Pa与同一温度下达到饱和状 态的绝对湿度Ps的百分比,其定义式为
Pa 相对湿度 ( )T 100% Ps
•
陶瓷湿敏传感器
陶瓷湿敏传感器是近年来正在大力发展的一种新型传感器。利用半导体 陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：
(1)测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；(2)工作 温度高，常温湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温 湿度传感器的工作温度可达800℃，(3)响应时间较短，(4) 精度高，(5)抗污染能力强，(6)工艺简单，成本低廉。 典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4－TiO2(铬酸镁-二 氧化钛)系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、 ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度 传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4外，都为负特 性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也 有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。
• 式中： PV为待测空气的水气分压；PW为与待测空气同温度时水 的饱和水气压。
水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(pv)。而饱 和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(pw)。
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对湿敏传感器的基本要求 湿敏传感器通常应满足如下要求： ① 能满足所要求的湿度测量范围,且响应迅速。 ② 在各种气体环境中特性稳定。 ③ 受温度的影响小,能在-30～100 ℃的环境温度中使用。 ④ 不受尘埃附着的影响。 ⑤ 工作可靠,互换性好,使用寿命长。 ⑥ 制造简单,价格便宜。
• 湿敏传 感器的 用途极 广。表 列出了 它的应 用范围 和使用 温度、 湿度范 围。
谢谢！
108 R/Ω 20℃ 40℃ 60℃ 80℃
107106105104 103 20 40
60
80 100 相对湿度/%
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性
（3）响应时间 响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于 10s。 %RH 100 80 60 40 1%RH 50%RH 94%RH 50%RH
108 107 106
R / Ω
105
104 103 20 40 60 80 100 相对湿度/%
是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性。从图可见， 从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温 度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行 温度补偿。
气、湿敏传感器
二〇一一年三月
气敏传感器
气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面 吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。
一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12） 的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面， 还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体 变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。
湿敏传感器
湿度及其表示:(空气中含有水蒸气的量称为湿度)
• 绝对湿度（AH, Absolute Humidity）:表示单位体积 （即1m3）的空气中所含水气的质量。
式中： mV为待测空气中的水气质量；V为待测空气的 总体积。绝对湿度的单位为g／m3。
mv 绝对湿度 V
当氧化型气体吸附到N 型半导 体，还原型气体吸附到P 型半 导体上时，将使半导体载 流子减少，而使电阻值增大。 当还原型气体吸附到N 型半导 体上，氧化型气体吸附到P 型 半导体上时，则载流子增多， 使半导体电阻值下降。
烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材料为基体，将 铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为 700～900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为 半导体导瓷，简称半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器 件寿命长；应用最为广泛。