第11章气、湿、色敏传感器讲解
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在一定温度下，当相对湿度发生阶跃变化时，
湿敏传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定 比例（一般为90%）时所需要的时间。 7. 感湿温度系数
当环境湿度
恒定时，温度每 变化一度引起湿 敏传感器的相对 湿度的变化量。 8. 工作电压
11.2.3 湿敏传感器的分类 1. 电解质式湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏传感器 利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感
1. 湿度量程 2. 测量精度 3. 感湿特性
感湿特性曲线：
在规定的工作湿度范 围内，湿敏传感器的 电阻或电容量随环境湿度变化的关系特性曲线。
4. 灵敏度 5. 湿滞特性
湿滞特性：湿敏传感器在吸湿和脱湿过程中，
吸湿曲线和脱湿曲线不重合，是一个环形回线。
湿滞回差：同一感湿特征量所对应的相对湿 度的最大差值。 6. 响应时间
应用范围宽，实用性强；性能优异，可用于较宽 湿度范围测量，湿滞回差小，响应速度快，温度 系数小，使用寿命长。
（MOSFET）的栅压阈值变化 做成的半导体气敏器件。
11.1.4 其他气敏传感器
1. 固体电解质气敏传感器 使用固体电解质气敏材料
做气敏元件。
2. 电化学气敏传感器 一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解
质气敏材料做气敏元件。 3. 接触燃烧式气敏传感器
可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式。
其检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯 等稀有金属催化层）。 4. 高分子气敏传感器
3. 湿敏传感器的线性化电路
11.3 色敏传感器 11.3.1 半导体色敏器件的结构与工作原理
理论基础：光的吸收特性
1. 双结型色敏传感器 （1）结构特点
（2）工作原理 （3）光谱响应特性
（4）短路电流比与波 长的关系
2. 非晶硅色敏传感器
（a） 非晶可见光 传感器
（b） 非晶单色彩 传感器
1. 绝对湿度和相对湿度 大气的干湿程度（绝对湿度），通常用大气
中水气的密度来表示，即
大气的相对湿度，通常把一定温度下，空气 中实际含水蒸气密度和同温度下饱合水蒸气密度 的百分比来表示，即
2. 露点（空气的露点温度） 空气的相对湿度为100%（此时水蒸气将转
化为液态而凝结成露珠）时的温度。
11.2.2 湿敏传感器的 主要特性参数
第11章 气、湿、色敏传感器
11.1 气敏传感器 11.1.1 引言
气敏传感器是一种能检测气体成分、浓度并 将其转化为电信号的器件或装置。 （1）防止突发事故
（2）提高生活环境质量 （3）改善生活条件 （4）生产过程中的产品质量保证 （5）其他 11.1.2 气敏传感器的分类 1）半导体式 2）固体电解质式 3）电化学式 4）接触燃烧式 5）高分子式 6）集成复合式
特性而制成的。
3. 高分子湿敏传感器 利用自身的吸湿性和离子导电性进行工作的。
（1）高分子电容湿敏传感器
（2）高分子电阻湿敏传感器 利用高分子电解质感湿材料因吸湿而导致电
阻率发生变化进行工作的。
11.2.4 湿敏传感器的测量电路
1. 电压输 出式陶瓷 湿敏传感 器的测量 电路
2. 湿敏传感器的温度补偿电路
反应导致敏感元件阻值变化而制成的。
3. 电阻型半导体气敏元件
（1）烧结型 气敏元件
（2）厚膜型 气敏元件
（3）薄膜型 气敏元件
4. 非电阻式半导体气敏传感器
（1）二极管气敏传感器 一种利用金属/半导体
二极管的整流特性随周围 气体变化的效应制成的气 敏传感器。
（2）FET型传感器 利用MOSБайду номын сангаас效应管
一般情况 下，温度、湿 度低时阻值较 大，温度、湿 度高时阻值较 小，因此常使 用热敏电阻和 （或）湿敏传 感器对电路进 行补偿。
2. 易燃气体泄漏的监控
3. 监测酒精气体浓度
11.2 湿敏传感器
11.2.1 引言 湿敏传感
器由湿敏元件 和转换电路等 组成，是将环 境湿度变换为 电信号的装置。
（c） 非晶集成 型全色彩传感器
11.3.2 半导体色敏传感器的颜色识别电路 其输出为：
思考题与习题
11-1 简述气敏元件的工作原理。它有哪几种类型？ 气敏元件的工作原理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。有烧结型气敏元件、厚膜型气敏元件、薄 膜型气敏元件。
11-2 为什么多数气敏元件都附有加热器？ 因为可以加速气体吸附、脱出的过程，提高
利用高分子气敏材料做气敏元件。 11.1.5 半导体气敏元件的主要特性参数 1.气敏元件的固有电阻（静态电阻）
通常为电阻型气敏元件在常温下洁净空气中 的电阻值。
2. 灵敏度 是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标。 对于电阻控制型气体传感器，通常用器件在
一定浓度正气检测气体中的电阻值与在洁净空气 中电阻值之比来表示，即
11.1.3 半导体气敏传感器的工作原理及结构 1. 半导体气敏传感器的分类
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只
限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表 面控制型和体控制型。
按照半导体变化
的物理特性，可分为 电阻型和非电阻型。 2. 半导体气敏传感器 的工作原理
利用气体在半导 体表面的氧化和还原
器件的灵敏度和反应速度；烧去附着在探测部分 的油雾、尘埃等污物，起清洁作用；控制不同的 加热温度，可以增强对被测气体的选择性。
11-3 什么是湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各 有什么特点？
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分
而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。 有电解质式湿敏电阻：响应快、滞后小，不受测 湿环境风速的影响，结构简单，价格便宜，检测 精度可达±5%；耐热性差，不能用于露点以下的 测量，器件重复测试性能不理想，使用寿命短。 半导体陶瓷湿敏电阻：测湿范围宽，基本上可以 实现全湿范围内的测量；工作温度高；响应时间 比较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成 本低廉。高分子膜湿敏电阻：材料来源丰富，制 作工艺简单，无须加热清洗，适合于批量化生产，
器件灵敏度虽各有差异，但都遵循共同规律， 即器件的电阻与被检测气体浓度大都具有如下关 系：
3. 选择性 是气敏传感器在相同
条件下，接触同一浓度、 不同种类气体时，电阻值 的相对变化。
4. 温湿特性
5. 初期恢复时间特性
6. 长期工作稳定性
11.1.6 气敏传感器的应用 1. 气敏传感器的温度补偿电路
湿敏传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定 比例（一般为90%）时所需要的时间。 7. 感湿温度系数
当环境湿度
恒定时，温度每 变化一度引起湿 敏传感器的相对 湿度的变化量。 8. 工作电压
11.2.3 湿敏传感器的分类 1. 电解质式湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏传感器 利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感
1. 湿度量程 2. 测量精度 3. 感湿特性
感湿特性曲线：
在规定的工作湿度范 围内，湿敏传感器的 电阻或电容量随环境湿度变化的关系特性曲线。
4. 灵敏度 5. 湿滞特性
湿滞特性：湿敏传感器在吸湿和脱湿过程中，
吸湿曲线和脱湿曲线不重合，是一个环形回线。
湿滞回差：同一感湿特征量所对应的相对湿 度的最大差值。 6. 响应时间
应用范围宽，实用性强；性能优异，可用于较宽 湿度范围测量，湿滞回差小，响应速度快，温度 系数小，使用寿命长。
（MOSFET）的栅压阈值变化 做成的半导体气敏器件。
11.1.4 其他气敏传感器
1. 固体电解质气敏传感器 使用固体电解质气敏材料
做气敏元件。
2. 电化学气敏传感器 一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解
质气敏材料做气敏元件。 3. 接触燃烧式气敏传感器
可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式。
其检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯 等稀有金属催化层）。 4. 高分子气敏传感器
3. 湿敏传感器的线性化电路
11.3 色敏传感器 11.3.1 半导体色敏器件的结构与工作原理
理论基础：光的吸收特性
1. 双结型色敏传感器 （1）结构特点
（2）工作原理 （3）光谱响应特性
（4）短路电流比与波 长的关系
2. 非晶硅色敏传感器
（a） 非晶可见光 传感器
（b） 非晶单色彩 传感器
1. 绝对湿度和相对湿度 大气的干湿程度（绝对湿度），通常用大气
中水气的密度来表示，即
大气的相对湿度，通常把一定温度下，空气 中实际含水蒸气密度和同温度下饱合水蒸气密度 的百分比来表示，即
2. 露点（空气的露点温度） 空气的相对湿度为100%（此时水蒸气将转
化为液态而凝结成露珠）时的温度。
11.2.2 湿敏传感器的 主要特性参数
第11章 气、湿、色敏传感器
11.1 气敏传感器 11.1.1 引言
气敏传感器是一种能检测气体成分、浓度并 将其转化为电信号的器件或装置。 （1）防止突发事故
（2）提高生活环境质量 （3）改善生活条件 （4）生产过程中的产品质量保证 （5）其他 11.1.2 气敏传感器的分类 1）半导体式 2）固体电解质式 3）电化学式 4）接触燃烧式 5）高分子式 6）集成复合式
特性而制成的。
3. 高分子湿敏传感器 利用自身的吸湿性和离子导电性进行工作的。
（1）高分子电容湿敏传感器
（2）高分子电阻湿敏传感器 利用高分子电解质感湿材料因吸湿而导致电
阻率发生变化进行工作的。
11.2.4 湿敏传感器的测量电路
1. 电压输 出式陶瓷 湿敏传感 器的测量 电路
2. 湿敏传感器的温度补偿电路
反应导致敏感元件阻值变化而制成的。
3. 电阻型半导体气敏元件
（1）烧结型 气敏元件
（2）厚膜型 气敏元件
（3）薄膜型 气敏元件
4. 非电阻式半导体气敏传感器
（1）二极管气敏传感器 一种利用金属/半导体
二极管的整流特性随周围 气体变化的效应制成的气 敏传感器。
（2）FET型传感器 利用MOSБайду номын сангаас效应管
一般情况 下，温度、湿 度低时阻值较 大，温度、湿 度高时阻值较 小，因此常使 用热敏电阻和 （或）湿敏传 感器对电路进 行补偿。
2. 易燃气体泄漏的监控
3. 监测酒精气体浓度
11.2 湿敏传感器
11.2.1 引言 湿敏传感
器由湿敏元件 和转换电路等 组成，是将环 境湿度变换为 电信号的装置。
（c） 非晶集成 型全色彩传感器
11.3.2 半导体色敏传感器的颜色识别电路 其输出为：
思考题与习题
11-1 简述气敏元件的工作原理。它有哪几种类型？ 气敏元件的工作原理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。有烧结型气敏元件、厚膜型气敏元件、薄 膜型气敏元件。
11-2 为什么多数气敏元件都附有加热器？ 因为可以加速气体吸附、脱出的过程，提高
利用高分子气敏材料做气敏元件。 11.1.5 半导体气敏元件的主要特性参数 1.气敏元件的固有电阻（静态电阻）
通常为电阻型气敏元件在常温下洁净空气中 的电阻值。
2. 灵敏度 是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标。 对于电阻控制型气体传感器，通常用器件在
一定浓度正气检测气体中的电阻值与在洁净空气 中电阻值之比来表示，即
11.1.3 半导体气敏传感器的工作原理及结构 1. 半导体气敏传感器的分类
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只
限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表 面控制型和体控制型。
按照半导体变化
的物理特性，可分为 电阻型和非电阻型。 2. 半导体气敏传感器 的工作原理
利用气体在半导 体表面的氧化和还原
器件的灵敏度和反应速度；烧去附着在探测部分 的油雾、尘埃等污物，起清洁作用；控制不同的 加热温度，可以增强对被测气体的选择性。
11-3 什么是湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各 有什么特点？
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分
而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。 有电解质式湿敏电阻：响应快、滞后小，不受测 湿环境风速的影响，结构简单，价格便宜，检测 精度可达±5%；耐热性差，不能用于露点以下的 测量，器件重复测试性能不理想，使用寿命短。 半导体陶瓷湿敏电阻：测湿范围宽，基本上可以 实现全湿范围内的测量；工作温度高；响应时间 比较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成 本低廉。高分子膜湿敏电阻：材料来源丰富，制 作工艺简单，无须加热清洗，适合于批量化生产，
器件灵敏度虽各有差异，但都遵循共同规律， 即器件的电阻与被检测气体浓度大都具有如下关 系：
3. 选择性 是气敏传感器在相同
条件下，接触同一浓度、 不同种类气体时，电阻值 的相对变化。
4. 温湿特性
5. 初期恢复时间特性
6. 长期工作稳定性
11.1.6 气敏传感器的应用 1. 气敏传感器的温度补偿电路