第9章 气湿敏传感器
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。
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
气体湿敏传感器
m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]；
—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
ρ ，C和的值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法
等因素有关。Q由可燃性气体的种类决定，在一定条件下，都
是确定的常数。则：E=k•m•b ， b Q
C
即A、B两点的电位差E与可燃性气体的浓度m成比例。测得E
（5）气敏元件的加热电阻和加热功率
气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必 要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电
阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω ；旁热式的
加热电阻大于20Ω 。 气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，
用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。
气敏元件大多以金属氧化物半导体为基材。当被测气体在该
半导体表面吸附后引起其电特性(例如电导率)变化。SnO2、 ZnO、Fe2O3等材料存在气敏效应，当表面吸附某种气体时会引 起电导率的变化。作为敏感元件，要求这种反应必须可逆。
气敏元件的定性解释模型：表面电荷层模型等。
电阻型气体传感器件的主要特性参数与特点
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，在相同温度条件下在不同地区测定，其固有阻值也 出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。
（2）气敏元件的灵敏度 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。表示方法有三种
二氧化锆氧敏元件与多数固体电解质氧敏元件一样，作成浓差 电池形式。在二氧化锆两侧装上铂电极，两电极的电位不同时， 两极间产生浓差电动势，测定固体浓差电池的电动势，可测定 被测气体浓度。
湿敏传感器
湿敏传感器一、湿度的表示方法定义：湿度是指大气中所含的水蒸气量，常用绝对湿度和相对湿度表示。
1、绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水蒸气的质量。
定义式为M v Vρ=式中，M v —待测空气的水蒸气的质量；V —待测空气的体积； ρ—待测空气的绝对湿度，单位为3/g m 或3/mg m 。
2、相对湿度相对湿度表示空气中所含水蒸气分压和相同温度下的饱和水蒸气分压的百分比，是一个无量纲的值，常用%RH 表示（RH 为相对湿度）。
即P v =()100%RH P w⨯相对湿度 式中，P v —空气温度为t C ︒时空气水蒸气分压；P w —空气温度为t C ︒时饱和水蒸气分压。
二、湿敏传感器特性参数湿敏传感器将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出，其特性参数主要有湿度量程、感湿特征量、灵敏度、湿度、温度系数、响应时间、湿滞回差等。
1、湿度量程在规定的精度内能够测量的最大范围，成为湿度量程。
由于各种湿敏传感器的敏感元件所使用的功能材料不同，以及所依据的物理效应或化学反应不同，导致不是所有的敏感元件都能在整个相对湿度范围内（0100%RH ）具有可用的湿度敏感特性。
某些湿度敏感元件就只能适用于某一段相对湿度范围，因此有时需要使用多片组合。
2、感湿特性感湿特性表示湿敏传感器的感湿特征量（电阻）随被测相对湿度变化的规律。
一般可从感湿特性曲线上确定湿敏传感器的灵敏度及最佳使用范围。
性能良好的市民传感器感湿特曲线，应当在整个相对湿度范围内连续变化，其斜率保持不变，3、灵敏度灵敏度是指湿敏传感器输出增量与输入增量之比，它反映被测湿度作单位变化时所引起感湿特征量的变化程度。
因此，它对应干事特征曲线的斜率。
但是，一般湿敏传感器的特性是非线性的，即在不同的被测湿度下，传感器的灵敏度是不同的。
4、湿度温度系数湿敏传感器的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度变化而改变的特性参数。
在不同的环境温度下，湿敏传感器的感湿特性曲线是不同的，它直接给测量带来误差。
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。
第9章气敏湿敏传感器
SnO2 烧结体 1
2
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
半导体式气敏传感器的分类
1 气敏电阻的工作原理
◆气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材 料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷 制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如 氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型 半导体，如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧 化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气 体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时 还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、 银（Ag）等。
（6）初期稳定时间 一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将
下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏 元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳 定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时 间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元 件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。 （2min)
◆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。
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。气敏元件的基本测量电路如图1 （a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输 出电压与温度的关系如图1（b）所示。
气敏、湿敏电阻传感器的应用PPT课件
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。
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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。
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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。
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。
气湿敏传感器实验
湿敏传感器实验序之所以选择湿敏电阻器来完成论文，是感觉，在这些传感器中，湿敏电阻与我的生活息息相关，我家住北方，到了冬天，背阴面的屋子里潮湿到屋顶滴水下来。
通过学习得知，温度降低，这是空气中相对湿度过大，超过饱和，凝结成水滴造成的。
随着科学研究、工业和家用电器等方面对测湿和湿度控制的需要各种新型的利用湿度传感器的测湿电路不断被研制出来。
希望通过本次学习，能够通过湿敏传感器做出自动除湿的装置。
资料：（在网上搜集如下数值表）传感器的定义与分类：1、传感器的定义：关于传感器国家标准GB7665-87对传感器下的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置能感受到被测量的信息并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2、传感器的分类：（1）按工作机理分类：有结构型、物性型、复合型传感器。
（2）按被测量分类：有物理量、化学量、生物量传感器。
（3）按敏感材料分类：传感器分金属、半导体陶瓷、光导纤维、高分子材料等。
（4）按能量的关系分类：传感器分为有源和无源两类。
3、传感器的技术特点：（1）内容范围广且离散（2）知识密集程度高、边缘学科色彩极浓。
（3）技术复杂、工艺要求高。
（4）功能优、性能好。
（5）品种繁多、应用广泛。
（6）湿敏电阻：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、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的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。
（特）输出频率f与相对湿度RH值对应如下，参考下表，计算以上三中状态下空气相对湿度。
一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及应用范围。
第九章气、湿敏传感器.
第9章 气、湿敏传感器 200℃以下检测CO最好，而在300℃检测丙烷，在400℃以上
近年来发展的厚膜型SnO2气敏元件添加了ThO2，提高了 元件的气体识别能力，尤其是对CO的灵敏度远高于对其他气 体的灵敏度。添加ThO2的元件在检测CO时，其灵敏度随时间 会产生周期性的振荡现象(见图9.5)，其频率和振幅与气体的 浓度有关。虽目前尚不明确其机理，但可利用这一现象对CO 浓度作较精确的定量检测(见图9.6)
1. 衬底为硅、敏感层为非硅材料的微结构气敏传感器统称 为硅基微结构气敏传感器，它是当前微结构气敏传感器的主
1) 这类气敏传感器的敏感材料是金属氧化物半导体或导电 聚合物。当这些敏感材料暴露在待测气体中时，气体会和它 们发生作用，引起器件电阻或电导发生变化，给出包含气体 成分和浓度的电信号，这种信号经过信号处理电路处理后，
第八页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 中的少数电荷——空穴。因此，在导带上参与导电的自由电 子的复合率减少，从而表现出自由电子数增加，半导体元件 的阻值减小。具有这种正离子吸附的气体称为还原性气体， 如H2、CO、碳氢化合物和酒类等。如果半导体的功函数小于 气体吸附分子的亲和力，则吸附分子将从半导体夺取电子而 变成负离子吸附。具有负离子吸附的气体称为氧化性气体， 如O2、NOx等。负离子吸附的气体因为夺取了半导体的电子 而将空穴交给半导体，使导带的自由电子数目减少，因此元
下面以硅基微结构稳定氧化锆电流型氧传感器为例，简 要介绍这种传感器的制作工艺。这里以250 μm厚的N型［100］ 硅芯片作衬底，在其上淀积0.5 μm厚的二氧化硅膜作电绝缘 层。由于稳定氧化锆要在600 ℃高温下工作，所以在二氧化 硅膜上淀积0.3 μm厚的铂膜作加热器和测温元件。淀积一层
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
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
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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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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。
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湿敏传感器
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
湿敏传感器
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。
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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。
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
1
第9章 气、湿敏传感器 气敏传感器 湿敏传感器
2
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。
1. 结构
图9.2 半导体气敏元件的基本结构
13
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9.2 半导体气敏元件的基本结构
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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9.2 半导体气敏元件的基本结构
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气敏传感器
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。
21
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
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。
8
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
• 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
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。
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
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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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
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。
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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。
• 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
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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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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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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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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
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。
• 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。
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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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9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件
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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