气敏和湿敏传感器21页PPT文档
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传感技术第九章 气、湿敏传感器
这两种方法统称为水蒸气百分含量法。
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
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
第九章气、湿敏传感器.
上述工作原理可用图9.3
第九页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.3 工作原理流程解释
第十页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值 变化情况。由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的 吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时， 如果被测气体流入这种气氛中，则元件表面将产生吸附作用， 元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化。通过测量电路(如 电桥电路)
还可以采用改变元件的烧结温度和工作温度相结合的措
第十四页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.5 添加ThO2的SnO2气敏元件在不同浓度的CO气氛中的振荡波形 (元件工作温度为200 ℃，添加1%(重量)的ThO2)
第十五页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
第二十七页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 2) MIS MIS二极管的伏安特性对氢气很敏感，当氢气浓度改变 时，其伏安特性会发生明显的变化，因而可利用它来检测氢 气。美国C-W储备大学开发了带有加热器和测温元件的MIS 二极管型微结构氢敏传感器。为了提高灵敏度和耐久性，电 极金属用钯-银合金代替钯，用集成电路工艺制造出加热器、 测温元件和MIS二极管，最后用牺牲层工艺从背面将硅芯片
2. 当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻(或电 导率)会发生变化，即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测 的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上 自由扩散(物理吸附)，失去其运动能量。一部分气体分子被 蒸发，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸 附)。这时，如果N型半导体，功函数越大，电子越不容易从半 导体中逸出)大于气体吸附分子的离解能，则气体的吸附分子 将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附(带正电荷)。供 给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷
第九页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.3 工作原理流程解释
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第9章 气、湿敏传感器 图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值 变化情况。由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的 吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时， 如果被测气体流入这种气氛中，则元件表面将产生吸附作用， 元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化。通过测量电路(如 电桥电路)
还可以采用改变元件的烧结温度和工作温度相结合的措
第十四页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.5 添加ThO2的SnO2气敏元件在不同浓度的CO气氛中的振荡波形 (元件工作温度为200 ℃，添加1%(重量)的ThO2)
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第9章 气、湿敏传感器
第二十七页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 2) MIS MIS二极管的伏安特性对氢气很敏感，当氢气浓度改变 时，其伏安特性会发生明显的变化，因而可利用它来检测氢 气。美国C-W储备大学开发了带有加热器和测温元件的MIS 二极管型微结构氢敏传感器。为了提高灵敏度和耐久性，电 极金属用钯-银合金代替钯，用集成电路工艺制造出加热器、 测温元件和MIS二极管，最后用牺牲层工艺从背面将硅芯片
2. 当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻(或电 导率)会发生变化，即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测 的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上 自由扩散(物理吸附)，失去其运动能量。一部分气体分子被 蒸发，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸 附)。这时，如果N型半导体，功函数越大，电子越不容易从半 导体中逸出)大于气体吸附分子的离解能，则气体的吸附分子 将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附(带正电荷)。供 给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷
气敏、湿敏传感器
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏、湿敏电阻传感器的应用PPT课件
4
广东机电职业技术学院------传感器及应用
一、气敏电阻传感器
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使 半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们 发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO
、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 气敏电阻工作原理：
气体的成分、浓度等参数变化 ↓
直热式的加热丝兼作电极。 其结构简单、 成本低、 功耗 小； 但热容量小， 易受环境气流影响； 因加热丝热胀冷缩， 易使之与材料接触不良； 在测量电路中， 信号电路和加热电 路相互干扰。间接式加热丝和电极分立，有好的稳定性。
9
广东机电职业技术学院------传感器及应用
（2） 温湿度特性： SnO2传感器的阻值随温度、 湿度上 升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、 恒湿外， 其有效
该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）, 目 的是为了加速上述的氧化还原反应。
8
广东机电职业技术学院------传感器及应用
（1） 气敏特性：遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可 燃性)气体， 材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时， 材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧， 所 以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃ 范围内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有 高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是SnO2和 ZnO。
（4）
烧结型气体传感器主要用来检测甲烷、丙烷、一氧化碳、 氢气、 酒精、 硫化氢等。
11
广东机电职业技术学院------传感器及应用
例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气 体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率 的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
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一、气敏电阻传感器
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使 半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们 发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO
、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 气敏电阻工作原理：
气体的成分、浓度等参数变化 ↓
直热式的加热丝兼作电极。 其结构简单、 成本低、 功耗 小； 但热容量小， 易受环境气流影响； 因加热丝热胀冷缩， 易使之与材料接触不良； 在测量电路中， 信号电路和加热电 路相互干扰。间接式加热丝和电极分立，有好的稳定性。
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（2） 温湿度特性： SnO2传感器的阻值随温度、 湿度上 升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、 恒湿外， 其有效
该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）, 目 的是为了加速上述的氧化还原反应。
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（1） 气敏特性：遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可 燃性)气体， 材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时， 材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧， 所 以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃ 范围内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有 高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是SnO2和 ZnO。
（4）
烧结型气体传感器主要用来检测甲烷、丙烷、一氧化碳、 氢气、 酒精、 硫化氢等。
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例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气 体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率 的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
第七章 气敏、湿度、水份传感器
❖其缺点是稳定性差，老化较快，并需要进一 步提高其气体识别的能力及稳定性。
17
二、常用气敏元件的种类
❖按结构可将其分成烧结型、薄膜型和厚膜型 三种。
18
二、常用气敏元件的种类
1．烧结型气敏元件 ❖这类器件以半导瓷SnO2为基体材料(其粒度
在1m以下)添加不同杂质，采用传统制陶 方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电 极，制成管心，最后将加热丝和测量电极焊 在管座上，加特种外壳构成器件。
5
一、气敏元件工作机理
❖气敏半导瓷材料氧化锡(SnO2)是N型半导体。 ❖它的导电机理可以用吸附效应解释。
6
一、气敏元件工作机理
❖N型半导瓷的模型。 ❖这 种 材 料 为 多 晶
体。晶粒间有较 高电阻，晶粒内 部电阻较低。 ❖导 电 通 路 的 等 效 电路
7
一、气敏元件工作机理
❖图 中 Rn 为 颈 部 等 效电阻
25
二、常用气敏元件的种类
❖各种可燃性气体 的 浓 度 与 SnO2 半导瓷传感器的 电阻变化率R/R0 的关系
26
二、常用气敏元件的种类
❖气敏元件应用较广泛的是用于防灾报警，如 可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤 矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。
❖也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上 用于对O2、CO等气体的测量。生活中则可 用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方 面。
❖此时，如果材料的功函数小于吸附分子的电 子亲和力，则吸附分子将从材料夺取电子而 变成负离子吸附；
❖如果材料的功函数大于吸附分子的离解能， 吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸 附。
12
一、气敏元件工作机理
❖O2和氮氧化合物倾向于负离子吸附，称为氧 化型气体。
17
二、常用气敏元件的种类
❖按结构可将其分成烧结型、薄膜型和厚膜型 三种。
18
二、常用气敏元件的种类
1．烧结型气敏元件 ❖这类器件以半导瓷SnO2为基体材料(其粒度
在1m以下)添加不同杂质，采用传统制陶 方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电 极，制成管心，最后将加热丝和测量电极焊 在管座上，加特种外壳构成器件。
5
一、气敏元件工作机理
❖气敏半导瓷材料氧化锡(SnO2)是N型半导体。 ❖它的导电机理可以用吸附效应解释。
6
一、气敏元件工作机理
❖N型半导瓷的模型。 ❖这 种 材 料 为 多 晶
体。晶粒间有较 高电阻，晶粒内 部电阻较低。 ❖导 电 通 路 的 等 效 电路
7
一、气敏元件工作机理
❖图 中 Rn 为 颈 部 等 效电阻
25
二、常用气敏元件的种类
❖各种可燃性气体 的 浓 度 与 SnO2 半导瓷传感器的 电阻变化率R/R0 的关系
26
二、常用气敏元件的种类
❖气敏元件应用较广泛的是用于防灾报警，如 可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤 矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。
❖也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上 用于对O2、CO等气体的测量。生活中则可 用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方 面。
❖此时，如果材料的功函数小于吸附分子的电 子亲和力，则吸附分子将从材料夺取电子而 变成负离子吸附；
❖如果材料的功函数大于吸附分子的离解能， 吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸 附。
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一、气敏元件工作机理
❖O2和氮氧化合物倾向于负离子吸附，称为氧 化型气体。
《气湿敏传感器》课件
03
CATALOGUE
气湿敏传感器的发展趋势
提高灵敏度和精度
优化材料结构
通过改进材料结构，提高气湿敏传感器的灵敏度和响应速度。
表面修饰与功能化
采用表面修饰和功能化技术，提高气湿敏传感器的选择性，降低交 叉敏感性。
微纳技术与纳米材料
利用微纳加工技术和纳米材料，减小气湿敏传感器的尺寸，提高其 精度和稳定性。
农业领域的应用
在农业生产中，气湿敏传感器可 用于监测和控制温室内的气体和 湿度，以提高农作物的生长和产
量。
通过监测温室内的气体成分和湿 度，可以及时调整环境条件，满 足不同植物生长的需求，提高农
作物的品质和产量。
此外，气湿敏传感器还可以用于 农田环境的监测，例如检测土壤 中的气体和湿度，以指导农民合
加强基础研究与技术突破
总结词
基础研究和技术突破是推动气湿敏传感器发展的重要驱动力。
详细描述
加强基础研究，深入了解气湿敏传感器的原理和机制，探索新的材料、工艺和设 计方法。同时，鼓励技术突破，推动传感器技术的创新和进步，为气湿敏传感器 的发展注入新的活力。
拓展应用领域和范围
总结词ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拓展应用领域和范围是气湿敏传感器发展的必然趋势。
理施肥和灌溉。
医疗领域的应用
在医疗领域，气湿敏传感器可用 于监测患者的呼吸和环境中的气 体成分，以协助医生诊断和治疗
。
对于某些疾病，如哮喘、慢性阻 塞性肺病等，气湿敏传感器可以 用于监测患者的呼吸状况，及时 发现异常情况并采取相应措施。
在手术室和重症监护室等医疗环 境中，气湿敏传感器可以用于监 测空气中的气体成分和湿度，以
详细描述
为了提高气湿敏传感器的稳定性与可靠性，可以采用先进的 材料和制造工艺，优化传感器结构，提高其长期稳定性和重 复性。此外，加强质量检测和控制也是必要的措施。
气敏湿敏传感器PPT学习教案
值
RC1
RC2
RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：
RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。
（c）输出电压比灵敏度KV
KV
Va Vg
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
第9页/共34页
第15页/共34页
在二氧化锆中添加氧化钙、三 氧化二钇等添加物后,其离子电 导都将发生改变。尤其是在氧 化 钙 添 加 量 为 15 ％ mol 左 右 时 , 离子电导出现极大值。但是， 由于二氧化锆一氧化钙固溶体 的离子活性较低，要在高温下 ，气敏元件才有足够的灵敏度 。添加三氧化二钇的ZrO2－Y2O3 固溶体，离子活性较高，在较 低的温度下，其离子电导都较 大，如图。因此，通常都用这 种材料制作固定电解质氧敏元 件。添加Y2O3的ZrO2固体电解 质材料，称为YSZ材料。
1 添加8%molYb2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2 ；4 添加10%molY2O3 ；5 添加13%molCaO 6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO
第17页/共34页
四、气体传感器应用
9 6
3 10
7
11
实
＋ 5V
用
2
R3
气敏湿敏传感器
会计学
1
第一节 气敏传感器
接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件
工作原理、主要类型及应用
第1页/共34页
一、接触燃烧式气体传感器
1、检测原理
可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化 反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体 的浓度都不太高(低于10％)，可燃性气体可以完全燃烧，其发 热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧 化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化( 增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感 件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓 度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所 以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触 媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特
新型传感器原理及应用ppt课件
半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型 半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。
5.1 气敏、湿敏传感器
2) 正特性湿敏半导瓷的导电原理 正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不 同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导 致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空 穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导 瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
5.1 气敏、湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这 些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷， 最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半导瓷)。
1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2OV2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3
Fe3O4半导瓷正湿敏特性图
5.1 气敏、湿敏传感器
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸 附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降， 将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若 该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表 面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的 空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度， 出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以 在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型
5.1 气敏、湿敏传感器
2) 正特性湿敏半导瓷的导电原理 正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不 同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导 致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空 穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导 瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
5.1 气敏、湿敏传感器
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这 些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷， 最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半导瓷)。
1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2OV2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3
Fe3O4半导瓷正湿敏特性图
5.1 气敏、湿敏传感器
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸 附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降， 将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若 该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表 面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的 空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度， 出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以 在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型
气敏和湿敏传感器课件
02
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
感谢观看
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。
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
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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
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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。
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（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
由芯片(敏感体和加热器)，基座 和金属防爆网罩三部分组成。因 其热容量小、稳定性差，测量电 路与加热电路间易相互干扰，加 热器与SnO2基体间由于热膨胀系 数的差异而导致接触不良，造成 元件的失效，现已很少使用。
加热极兼电极
SnO2烧结体
3
41
3
1
2
自动检测技术
第三章新型传感器
第一节 气敏传感器 • 气敏传感器的定义：
–是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏 感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换 成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待 测气体在环境中存在情况有关的信息。
气敏传感器可分为半导体气敏传感器、固体电 解质气敏传感器、浓差电池型气敏传感器和组合式 气敏传感器，其中使用最多是半导体气敏传感器。
自动检测技术
一 、半导体式气敏传感器的结构及工作原理
• 半导体式气敏传感器：
–利用半导体气敏元件同气体接触，造成半 导体性质发生变化的原理来检测特定气体的 成分或者浓度
• 半导体式气敏传感器可分为：
–电阻式 –非电阻式
1、分类
半导体式气敏传感器
电阻式
自动检测技术
烧结型 薄膜型
厚膜型
非电阻式
二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器
一、湿度的定义及其表示方法
湿度，是指大气中水蒸气的含量。通常有如下几种表示法：
绝对湿度（AH）： 绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸
气的质量，其数学表达式为
Ha
mV V
相对湿度（%RH）：相对湿度是指待测空气中实际所含的
水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其
数学表达式为：
HT
Байду номын сангаас
PV PW
100%
相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。
自动检测技术
二、湿敏传感器的分类
电阻式
电解质式 陶瓷式 高分子式
湿敏传感器
电容式 其它
陶瓷式
高分子式 光纤湿敏传感器 界限电流式湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等
自动检测技术
三、陶瓷电阻式湿度传感器
对显敏电阻的基本要求：
（1）电阻湿度系数大，性能稳定； （2）相对湿度在0～100%范围内变化时，其电阻值能有规 律地变化且重复性好，响应速度快，老化效应小等特点。 陶瓷电阻式湿度传感器的结构、外形及测量转换电路框图
1－基板； 2－金电极； 3－Fe3O4胶体膜； 4－引线
四、陶瓷电容式湿度传感器 1. 结构
陶瓷电容式湿度传感器的结构由多孔氧化铝感湿膜、铝基 片和金电极等构成。其结构如下图所示。
Pd—MOSFET气敏传感器
半导体式气敏传感器的分类
2、电阻式气敏传感器的结构
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型 应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μ m)的SnO2 粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原 料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根 据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。
气敏电阻式传感器基本测量电路如下图所示。测量电路 包括加热回路和测试回路两部分。
(a)QM－N5测量电路； (b)TGS812测量电路； (c)TGS109测量电路
二、气敏传感器的应用
1. 袖珍式气体检漏仪
自动检测技术
02.09.2019
11
第二节 湿敏电阻传感器
湿敏传感器：就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装 置。主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外 还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设 备等
• 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。
器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
自动检测技术
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
4
2
(a)结构
(b)符号
直热式气敏器件结构及符号
（2）旁热式SnO2气敏元件
加热器
电极
自动检测技术
加热器电阻值一 般为30Ω～40Ω
6
1
4
2
3
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
自动检测技术
3、基本原理
– 是利用气体在半导体表面的氧化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 子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。
• 当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型 气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减 少，而使电阻值增大。
2. 陶瓷电容式湿度传感器的特性 Al2O3薄膜组成的陶瓷电容式湿度传感器在气孔中有一定水汽
吸附时，随着环境湿度的变化，膜电阻和膜电容都将改变。其 特性曲线如下图所示
02.09.2019
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自动检测技术
• 在低湿度时，曲线线性良好，到高湿度时线性变 差，若湿度进一步提高，特性曲线变得平缓。
02.09.2019
自动检测技术
P型半导体吸附气体时器件阻值变化图
自动检测技术
规则总结：
• 氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降， 电阻增加
• 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加， 电阻减小
• 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加， 电阻减小
• 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
自动检测技术 4、基本测量电路
离子感烟传感器是应用放射性同位素组成的火灾报警专用 传感器，采用离子感烟传感器制作的火灾报警器，具有极高 的报警灵敏度，只要空气中漂浮着因起火产生的烟雾粉尘， 报警器就能立即报警。
1．工作原理
IP
离子感烟传感器的工作原理
自动检测技术
2．UD-02型离子感烟传感器 UD-02型离子感烟传感器具有灵敏度高，可靠性好，性 能符合标准等优点，它有两个离子室及一个放射源（镅— 241），其外形如下图所示。
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自动检测技术
五、湿敏电阻传感应用
湿敏电阻传感器广泛应用于军事、气象、农业、医疗等领域， 在各种场合下进行湿度监测、控制与报警。 1. 高湿度显示器
下图所示是高湿度显示器电路。
02.09.2019
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2、汽车挡风玻璃自动去湿装置
自动检测技术
汽车挡风玻璃自动去湿装置
自动检测技术 第三节 离子烟感传感器