传感器原理及应用-第9章

3、应用举例 例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管 气敏传感器 BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
表9.1 半导体气体传感器的分类
主要物理特性 传感器举例
氧化银、氧化锌
工作温度
室温-450℃
电 阻 式
电 阻
表面控制型
体控制型
典型被测气 体 可燃性气体
氧化钛、氧化 700℃以 钴、氧化镁、 上 氧化锡
酒精、 氧气、 可燃性 气体 硫醇 氢气、 一氧化 碳、酒 精 氢气、 硫化氢
非 电 阻 式
表面电位 二极管整流特性
传感器原理及应用
第九章 气敏、湿敏传感器
概述
• 气敏传感器：检测气体浓度和成分，主要 用于环境保护和安全监督等方面。
• 湿敏传感器：检测湿度情况，广泛应用于 工业、农业、国防、科技和生活等各个领 域。
分类：
– – – – –
9.1 气敏传感器
通常以气敏特性来分类，主要可分为：
半导体型气敏传感器， 电化学型气敏传感器， 固体电解质气敏传感器， 接触燃烧式气敏传感器， 光化学型气敏传感器，
Ha Kg / m
3
（2）相对湿度
被测空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水 蒸汽分压的百分比。
HT (
（3）露点温度
P W
PN
) 100%RH
空气压力不变，为使其所含水蒸气达到饱和状态， 必须冷却到的温度称为露点温度。
气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和。
二、湿敏传感器
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 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元器 件。
氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构：
湿敏元件的四周装有电热元
件,能将陶瓷加热到300～700 ℃ 的工作温度,使传感器在高温下 检测水蒸气,并且能烧掉粘附在 元件表面上的污物。 该类传感器已应用于食品加 工、空气调节器和干燥器等设 备中。
气体传感器选用二氧化锡气敏元件。 工作原理：
当气体传感器探测不到酒精时 , 加在A5 脚的电平为低 电平; 当气体传感器探测到酒精时 , 其内阻变低, 从而使 A5脚电平变高。 A为显示驱动器 , 它共有10个输出端, 每 个输出端可以驱动一个发光二极管 , 显示推动器A根据第5 脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数, 酒精含量 越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色, 表示超过安全水平。下 5 个发光二极管为绿色 , 代表安全 水平, 酒精含量不超过0.05%。
电阻值的对 数 /
7 lg1 0 7 .0
吸附 脱附 1 5℃
6 .5 6 .0 5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40 60
80
相对 湿度 / %
氯化锂湿敏元件的优缺点：
优点：滞后小, 不受测试环境风速影响, 检测精度高达 ±５%, 缺点：耐热性差, 不能用于露点以下测量, 器件性能的 重复性不理想, 使用寿命短。
2、半导体陶瓷湿敏电阻
结构：通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合
烧结而成的多孔陶瓷。 分类： (1)、按照电阻率与湿度的关系
负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而下降， 如ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系 等。
正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增大而增大， 如Fe3O4等。
设臵延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅 度变化造成误报；
使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报 现象。
下图是一温度补偿电路。当环境温度降低时，则负温度 热敏电阻(R5)的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。
BZ
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子 从半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少， 电阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为 氧化性气体(例O2、NOx等)。
100
元件电阻 元件加热 正常状态 吸附氧化性气体
50
元件阻值变化
吸附还原性气体
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空气中 吸附气体后
时间
金属氧化物 加热电极 输出极
烧结型
目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200－300℃, SnO2气敏 半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、 丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
旁热式气敏器件结构
注：加热器的作用
（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。
（ 2 ）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵
敏度及响应速度。
2、工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏 元件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉， 一部分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半 导体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导 体电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称 为还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。
以α-Fe2O3及K2CO3为主要成分的陶瓷湿敏传感器的电阻 与湿度的关系 ： 8
10 环境温度 / ℃ 0 20 1 06
电 阻 /
1 07
50 80 1 00
1 05 1 04 1 03 1 02 0
20
40
60
8 0 1 00
相对湿度 / %
电子型：利用水分子在氧化物表面上的化学吸附导致元 件电导率变化。元件的电导率是增加还是减小，决定于氧 化物半导体是N型或P型。 如氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一 种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器,它是 一种多孔质N型半导体材料。
Li+离子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。
当溶液臵于一定温湿场中, 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，阻值 升高。 反之, 环境相对湿度变低时, 则溶液浓度升高, 其电阻 率下降, 阻值下降。
玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的电阻-相对湿度特性 : 由图可看出，在50％～80％相 对湿度范围内，电阻与湿度的变 化成线性关系。 可将氯化锂含量不同的多个器 件组合使用，扩大湿度测量的线 性范围。如浸渍1％～1.5%浓度 的器件可检测(20％～50％)RH范 围内的湿度, 而浸渍0.5%浓度的 器件可检测(40％～80％)RH范围 内的湿度, 两者配合使用可检测 (20％～80％)RH范围内的湿度。
注： (1) 检测不同气体，加热温度及添加物质不同， 目的是使传感器对不同气体有选择性。
三、气敏元件的基本测量电路 图中EH为加热电源, EC为测 量电源, 电阻中气敏电阻值 的变化引起电路中电流的变 化, 输出电压（信号电压） 由电阻Ro上取出。 特别在低 浓度下灵敏度高, 而高浓度 下趋于稳定值。 因此, 常用 来检查可燃性气体泄漏并报 警等。
– 高分子气敏传感器等。
一、半导体气敏传感器
元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物，
作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反 应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特 性或表面电位变化。借此来检测特定气体的成分 或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出。 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（ CO 、 CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）。
制造工艺简单、成本低、功 耗小、可以在高电压回路下使 用；
热容量小，易受环境气流的 影响，测量回路与加热回路之 间没有隔离，相互影响。
内热式气敏器件结构
（5）旁热式 管芯增加了陶瓷管，管内 放加热丝，管外涂梳状金电极 做测量极，在金电极外涂SnO2 等气敏材料； 测量极与加热丝分离，加热 丝不与气敏材料接触，避免了 测量回路与加热回路之间的相 互影响，热容量大，不易受环 境气流的影响。
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器 (BZ) 不发出报警。当通电 1 ～ 2min 后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
例3：矿井瓦斯超限报警器
四、非电阻式半导体气体传感器 包括MOS 二极管式和结型二极管式以及场 效应管式（MOSFET）半导体气体传感器。 其电流或电压随着气体含量而变化，主要 检测氢和硅烷气等可燃性气体。
9.2 湿敏传感器 一、湿度及其表示
湿度是指大气中所含的水蒸汽量。
（1）绝对湿度
单位体积空间内所含有水蒸汽的质量(密度)。
当吸附还原性气体时，N型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值 降低。
当吸附氧化性气体时，N型半导体的功函数小于吸附分 子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离 子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大. 对于P型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使 其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。
应用场合： 一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检 测和报警。 基本要求： 1、对被测气体有高的灵敏度。 2、气体选择性好。 3、能够长期稳定工作。
4、响应速度快。
分类：
按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还 是涉及到外部分为表面控制型和体控制型；
按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电 阻式。
(2) 根据水分子在半导瓷表面的作用 分为离子型和电子型
离子型：由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水在微孔
中的物理吸附作用，在潮湿气氛中出现H+离子，使元件的 电导率变化。目前已有两种处于实用阶段，一种是以α- Fe2O3及K2CO3为主要成分,另一种以ZnO、V2O5、Li2O为主要 成分。
表面控制型
氧化银 铂/硫化镉、 铂/氧化钛
室温
室温-200℃
晶体管特性
铂栅MOS场效 应晶体管
150℃
电阻式半导体气敏传感器：
其电阻随着气体含量不同而变化; 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是一种用金属氧化物薄膜（例如SnO2、ZnO、Fe2O3、 TiO2等）制成的阻抗器件。
二、表面控制型电阻式半导体气敏传感器
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
（3）厚膜型
将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆 料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。 灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜 气敏元件较好。
半导体氧化物 Pt电极 氧化铝基片 厚膜型 加热器
（4）内热式
加热丝和测量丝都直接埋 在基体材料内；
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. 1、结构与分类 由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。
双层 金属网 罩 气敏 元件 电极 引线
外套 封装 基痤 端子
图9.1 某气敏传感器的整体结构
（1） 烧结型
将元件的电极和加热器 均埋在金属氧化物气敏材 料中, 经加热成型后低温 烧结而成。
1、氯化锂湿敏传感器
利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的 H+离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变 化的传感器。
结构：
在条状绝缘基片（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀 法或化学沉积法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂 －聚乙烯醇混合溶液，经老化处理而制成。
工作原理： 在氯化锂溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而
气敏元件的基本测量电路
1、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V)， 其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。 否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气 敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。
2、辅助电路
在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性 (温度系数、湿度系数、初期稳定性等)。如： 采用温度补偿电路，以减少气敏元件的温度系数引起 的误差；