第10章 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。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。

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：

按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种：

①烧结型：

图5.1(a)所示为烧结型气敏元器件，它是以氧化物半导体(如SnO2) 材料为基体，将铂电极和加热器埋入金属氧化物中，经加热或加压成形后，再用低温(700℃～900℃)制陶工艺烧结制成，因此也被称为半导体陶瓷。

优点：制作方法简单，器件寿命较长。

缺点：由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，此外，电特性误差较大，所以应用受到一定限制。

②薄膜型

图5.1(b)所示为薄膜型气敏元器件，采用蒸发或溅射方法，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(厚度在100nm以下)。

优点：制作方法也简单，

缺点：由于这种薄膜是物理性附着，所以器件间性能差异较大。

③厚膜型

图5.1(c)、图5.1(d)所示为厚膜型器件，它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。

优点：这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，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℃。

按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件：

①直热式器件

直热式器件的结构和符号如图5.2所示，器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。

优点：制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用。缺点：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。

②旁热式器件

旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。

这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其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，器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。

二. 半导体气敏材料的气敏机理

半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面上自由地扩散(物理吸附)，失去其运动