第9章 气湿敏传感器

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气敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
这种类型的气敏元件利用半导体表面因吸附气体引 起电阻阻值变化的物理现象，主要用于检测可燃性 气体。
优点：检测灵敏度较高、响应速度快等。
材料：氧化锡、氧化锌等。
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气敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
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湿敏传感器
9.2.4 陶瓷湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
图9.15 氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构 39
湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.5 电容式湿敏传感器
• 电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随 湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。通常 ，这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材 料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。 能测全湿范围的湿度，且线性好，重复性好， 滞后小，响应快，尺寸小，能在－10 ℃～70 ℃的环境温度中使用。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.6 电解式湿敏传感器
• 通过温度的升高和下降过程的反复进行，最后保持 在一定的温度上。达到这个温度时，说明氯化锂水 溶液中的水蒸气压与周围空气的水蒸气压相等，于 是进入平衡状态。所以，通过测量这个温度值就能 求出周围的水蒸气压，即可得到湿度。这种湿度传 感器的可靠性高，多用于工业过程中的湿度管理。
1. 绝对湿度
绝对湿度(AH, Absolute Humidity)表示单位体积( 即1 m3)的空气中所含水气的质量，其定义式为
mV待测空气中的水气质量；V待测空气总体积。 单位为g/m3.
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.1 温度及其表示
2. 相对湿度
相对湿度(RH，Relative Humidity) 定义为待测空 气的水气分压与相同温度下水的饱和水气压的百分比 ，其定义式为
• 电阻式湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性(如 电阻值)随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量 的传感器。
• 湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者 通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、半 导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的。
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湿敏传感器
9.2.3 电阻式湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
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湿敏传感器
9.2.2 对湿敏传感器的要求
第9章 气、湿敏传感器
• 在通常的环境中，湿度测量要比温度测量困难得 多。
• 这是因为空气中水蒸气的含量少，而且在水蒸气 中各种材料涉及到的种种物理、化学过程十分复 杂，目前还没有完全搞清楚所存在的问题。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.3 电阻式湿敏传感器
在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离 子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随 湿度而变化。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.3 电阻式湿敏传感器
氯化锂湿敏传感器
它是玻璃带上浸有氯化锂溶液的浸渍式湿敏元件。湿 敏元件的基片材料为无碱玻璃带。
将该玻璃带浸在乙醇中，除去纤维表面上附着的收集 剂，将两片变成弓字形的铂箔片夹在基片材料的两侧 作为电极。
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气、湿敏传感器的应用
9.3.1 气敏传感器的应用
1.主要应用范围
第9章 气、湿敏传感器
灾害预防：
漏气——液化气、煤气、一氧化碳、瓦斯、有毒气体 检测。
缺氧——不完全燃烧，一氧化碳检测。
1. 结构
通常，气敏传感器主要由如下三部分组成： (1) (2) 对敏感元件进行加热的加热器。 (3) 支持上述部件的封装部分。 图9.1示出了一个有代表性的气敏传感器的整体
结构。
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气敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
1. 结构
图9.1 某气敏传感器的整体结构
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气敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.1.3 基于MEMS的新型微结构气敏传感器
在微电子技术基础上发展起来的硅和硅基MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)技术，用该 技术制作气敏等传感器，容易满足人们对气敏传感器 集成化、智能化、多功能化的要求。
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第9章 气、湿敏传感器
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湿敏传感器
9.2.6 电解式湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
图9.20 填充型氯化锂湿度传感器的原理 41
湿敏传感器
9.2.6 电解式湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
• 这种传感器的原理如图9.20所示。两根电极插在浸 透氯化锂溶液的玻璃纤维中，并加上交流电压。由 于氯化锂水溶液能导电，通电产生的焦耳热使其温 度升高，因此将导致溶液中的水分蒸发。当溶液达 到饱和状态时，电阻急剧增大，电流减小，促使温 度下降。由于温度下降，因此溶液反过来吸收大气 中的水分。
PV待测空气中的水气分压；PW相同温度下水的饱和水 气压。单位为%。
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湿敏传感器
9.2.1 温度及其表示
第9章 气、湿敏传感器
3. 露点温度
保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸气达到饱 和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度(单位为 ℃)，
目前，应用最多的是相对湿度。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
1. 结构
• 上述气敏元件的加热器是用来烧去附在元件表面 的油雾与尘埃，加速气体的吸附，从而提高元件 的灵敏度和响应速度。
• 元件的工作加热温度取决于氧化材料及被测气体 的种类，一般在200~400oC。
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气敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
本节要点总结
1
掌握气敏传感器分类及其条件。
2
掌握表面控制型电阻式半导
体气敏元件的结构类型及其
工作原理。
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第9章 气、湿敏传感器
湿敏传感器 气敏传感器和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时，用得最多的是 半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。
9.2.2 对湿敏传感器的要求
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。
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第9章 气、湿敏传感器
气敏传感器 半导体气敏传感器主要利用半导体与某些气体接触时其 特性会发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度。
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气敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件
气敏元件按照其与气体的相互作用主要局限于半 导体表面还是涉及到内部，可分为： • 表面控制型 • 体控制型
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
2. 工作原理
图9.3 工作原理流程解释
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
2. 工作原理
图9.4 N型半导体吸附气体时的元件阻值变化情况
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
2. 工作原理
• 特点：加热、稳定4分钟以后，才能正常工作。
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
3. 元件材料
1) 氧化锡(SnO2)系。高的电导率的N型金属氧化物 2) 氧化铁(Fe2O3)系。特异性质N 3) 氧化锌(ZnO)系。高灵敏度
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第9章 气、湿敏传感器
本节要点总结
1
掌握湿敏传感器的表示方法。
2
掌握湿敏元件的条件。
3
掌握几种湿度传感器的工作原
理。
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第9章 气、湿敏传感器
9.3.1 气敏传感器的应用
1.主要应用范围 测量、控气制、：湿敏传感器的应用 医疗——呼气、血液中的气体等。 空气——室内空气、钾荃、大气质量检测。 烹饪——烘箱、炉灶控制。 饮酒——酒后驾驶检测。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
• 湿度和温度对我们同等重要。
• 随着人们对湿度检测和控制的要求的日益增加，湿 敏传感器已经正在成为电子器件、精密仪表、食品 加工、粮食保存、蔬菜保鲜、纺织及化纤等工艺过 程检测和控制的必不可少的测量元件。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.1 湿度及其表示
按照半导体变化的物理特性，又可分为 • 电阻式 • 非电阻式
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件
表9.1 半导体气敏元件的分类
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件
电阻式半导体气敏元件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 体气敏元件则根据气体的吸附和反应，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。
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
2. 工作原理
• 气敏元件如果是N型半导体材料，功函数(功函数标 志着电子从半导体中逸出的能量的大小，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，自由电子数目增加，电阻值减小。
• 在离子型湿敏元件中，由绝缘材料制成的多孔陶瓷 元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用(毛细凝 聚作用)，在潮湿气氛中呈现出H+离子，使元件的 电导率增加。
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9.2.4 陶瓷湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
• 电子型湿敏元件是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的原理制成的。
1. 结构
图9.2 半导体气敏元件的基本结构
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
1. 结构
图9.2 半导体气敏元件的基本结构
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
1. 结构
图9.2 半导体气敏元件的基本结构
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9.2.3 电阻式湿敏传感器
氯化锂湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
图9.12 玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的结构 36
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第9章 气、湿敏传感器
9.2.4 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。由金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离 子型和电子型两类。
• 空气中含有水分的多少，即空气的干湿程度，叫
湿度。
• 常用的空气湿度有三种表示方法： a) 绝对湿度（AH: Absolute Humidity）； b) 相对湿度（RH: Relative Humidity）； c) 露(霜)点温度。
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湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器
9.2.1 温度及其表示
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
2. 工作原理
• 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)。
气敏元件不管其种类、应用范围如何，至少都必 须具备如下条件：
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件
(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他气体不 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，结构比较简单。
第9章 气、湿敏传感器
传感器原理及应用技术 第9章 气、湿敏传感器
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第9章 气、湿敏传感器 气敏传感器 湿敏传感器
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第9章 气、湿敏传感器
气敏传感器和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时，用得最多的是 半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
1. 结构
气敏元件是气敏传感器的核心，有三种结构类型： ① 烧结体型:低温烧结 ② 薄膜型：在绝缘衬底上蒸发或溅射膜 ③ 厚膜型：把浆料印刷到基片上。
如图9.2所示。
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第9章 气、湿敏传感器
9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件