气敏传感器

2.3 气敏、湿敏电阻传感器
2.3.1 气敏电阻
在现代社会的生产和生活中， 人们往往会接触到各种各样的气体， 需要对它们进行检测 和控制。

比
如化工生产中气体成分的检测与控制； 煤矿瓦斯浓度的检测与报警； 环境污染情 况的监测； 煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。

气敏电阻传感器就是一种将 检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

1.气敏电阻的工作原理及其特性
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 SnO 2、ZnO 、Fe 2O 3、MgO 、 NiO 、 BaTiO 3等都具有气敏效应。

以 SnO 2 气敏元件为例， 它是由 0.1 ～10μ m 的晶体集合而成， 这种晶体是作为 N 型半导
体而工作的。

在正常情况下， 是处于氧离子缺位的状态。

的可
燃性气体分子时， 电子从气体分子向半导体迁移，
率增加。

而对于 P 型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位 状
态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。

气敏电阻的温度特性如图 2.26 所示，图中纵坐标为 灵敏度，
即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值 号电压。

由曲线可以
看出， SnO 2 在室温下虽能吸附气体， 但其电导率变化不大。

但当温
度增加后，电导率就发生较 大的变化，因此气敏元件在使用时需要加
温。

此外，在气 敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以
及一 些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度， 也可增强对 气体
种类的选择性。

2.常用的气敏电阻
气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种， 直热式消耗功率大， 稳定性较差， 故应用逐渐
减少。

旁热式性能稳定， 消耗功率小， 其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网 防爆，因此安全可靠，其应用面较广。

（ 1）氧化锌系气敏电阻
ZnO 是属于 N 型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。

通过掺杂而获 得不同气体的选
择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、 乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对 氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。

ZnO 气敏电阻的结构如图 2.27 所示。

这种
气敏元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷 ZnO 主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成 两层而制成。

例如生活环境中的一氧化碳浓度达
0.8 ～1.15 ml/L 时，就会出现呼吸急促， 脉搏加快，甚至晕厥等状态，达 1.84ml/L 时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳 检测必须快而
准。

利用 SnO 2 金属氧化物半导体气敏材料， 通过对颗粒超微细化和掺杂工艺 制备 SnO 2 纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成 旁热式烧结型 CO 敏感元件，能够探测
0.005%～ 0.5%范围的 CO 气体。

当遇到离解能较小且易于失去电子 半导体的载流子浓度增加， 因此电导
图 2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关
系
图 2.27 ZnO 气敏电阻结构图 2.28 γ-Fe2O3气敏电阻结构
1．催化剂；2．隔膜；3．ZnO涂层；4．加热丝； 1 ．双层网罩；2．烧结体；3．加热线圈；4．引脚
5．绝缘基板；6．电极
（2）氧化铁系气敏电阻
图2.28 是γ- Fe2O3材料制成的气敏电阻整体结构。

当还原性气体与多孔的γ- Fe2O3 接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用转变为Fe3O4，其电阻串迅速降低。

这种敏感元件
用于检测烷类气体特别灵敏。

3．气敏电阻的应用
气敏电阻由于具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长、成本低等特点，广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、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、CO2 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。

（1）气体检漏仪
它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中的气一电转换元件配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体检测仪器。

该类仪器具有灵敏度高、体积小、使用方便等特点。

图2.29 是采用QM-N5型气敏元件组成的简易袖珍式气体检漏仪原理图，其电路简单，集成化，仅用了一块四与非门集成电路，可用镉镍电池供电，用压电蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。

气敏元件安装在探测杆端部进行探测时，它可从机内拉出。

对检漏现场有防爆要求时，必须用防爆气体检漏仪进行检漏，与普通检漏仪相比，这种检漏仪仪器壳体结构及有关部件要根据探测气体和防爆等级要求进行设计，采用QM-N5型气敏元件作气- 电转换元件，用电子吸气泵进行气体取样，用指针式仪表指示气体浓度，由蜂鸣器进行报警。

图 2.29 采用QM-N5型气敏元件组成的简易袖珍式气体检漏仪原理图（2）有毒有害气体报警器
如图2.30 所示，在室内空气正常情况下，555 电路输出端3 脚为高电平。

当气敏元件检测到可燃性气体时，如煤气、液化石油气、汽油、酒精、烟雾等有毒有害气体，气敏电阻
1 急剧下降，555的2脚电位高于V DD 4V V时，555工作状态返转，3脚变为低电平，继
3
电吸合，接通报警器电源，报警发出报警声，提醒用户注意。

同时发光二极管LED2（红色）闪亮。

正常情况下，LED1（绿色）亮，可用作电源指示。

气敏电阻需要一个稳定的加热电压．其值约
5V，可通过RP1、R1的分压来确定。

电位器RP2用于调整555 触发端2脚的触发电平，正常条件下约为3.5V 。

本电路中的继电器还可控制机外的报警器或排气扇等设施。

图 2.30 有毒有害气体报警器电路
（3）矿灯瓦斯报警器
图2.31 为矿灯瓦斯报警器电原理图。

瓦斯探头由QM-N5型气敏元件、R1及4V 矿灯蓄电池等组成。

RP 为瓦斯报警设定电位器。

当瓦斯超过某一设定点时，RP输出信号通过二极管
V1加到V2基极上，V2导通，V3、V4便开始工作。

V3、V4为互补式自激多谐振荡器，它们的工作使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。

图 2.31 矿灯瓦斯报警器原理图
2.3.2. 湿敏电阻随着现代工业技术的发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了高精度高可靠性测量和控制湿度的要求。

因此，各种湿敏元件不断出现。

利用湿敏电阻进行湿度测量和控制具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测和集中控制等优点。

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。

1.湿敏电阻常见类型
1）半导体陶瓷湿敏元件
铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件是较常用的一种湿度传感器，它是由MgCr 2O4-TiO 2固熔
体组成的多孔性半导体陶瓷。

这种材料的表面电阻值能在很宽的范围内随湿度的增加而变
小，即使在高湿条件下，对其进行多次反复的热清洗，性能仍不改变。

图
2.32 为这种湿敏元件的结构示意
图。

该元件采用了
MgCr
2O4-TiO 2 多孔陶瓷，电极材料二氧化钌通过丝网印
制到陶瓷片的两面，在高温烧结下形成多孔性电极。

在陶瓷片周围装置有电阻丝绕制的加热
器，以450℃/ min 对陶瓷表面进行热清洗。

湿敏电阻的电阻所示。

（2）氯化锂湿敏电阻
图2.34 是氯化锂湿敏电阻的结构图。

它是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然
后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。

解性盐，
这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿。

阻随空气相对湿度变
化而变化，当空气中湿度增加时，感湿膜中盐的浓度降低。

图 2.34 氯化锂湿敏电阻的结构
1．感湿膜；2．电极；3．绝缘基板；4．引线
（3）有机高分子膜湿敏电阻
有机高分子膜湿敏电阻是在氧化铝等陶瓷基板上设置梳状型电极，有感湿性
能，又有导电性能的高分子材料的薄膜，再涂复一层多孔质的高分子膜保护层。

这种湿敏元件是利用水蒸汽附着于感湿薄膜上，电阻值与相对湿度相对应这一性质。

由于使用了高分子材料，所以适用于高温气体中湿牢的测量。

图2.35 是三氧化二铁- 聚乙二醇高分子膜湿敏电阻的结构与特性。

2.湿敏电阻的应用
（1）简易湿度测量湿度测量的关键在于湿度传感器，本测量器采用湿度传感器H204C传感器H204C 工作时要求加交流电信号，因为加直流电压将因器件内部发生电解作用而减少使用寿命，甚至损坏。

- 相对湿度特性曲线如图2.33
氯化锂是潮
感湿膜的电
然后在其表面涂以具图 2.32 MgCr2O4-TiO2 湿敏元件结构
1．感湿陶瓷；2．二氧化钌电极；3．加热器；4．基板；
5．引线
图 2.35 高分子膜湿敏电阻与特
性
为此，在电路中采用了555 振荡源，如图2.36 所示，555 和R1、RP1、C1 组成无稳态多谐振荡器，
f=1.44/ （RP1 +2R1）C1，图示参数的振荡频率在700～1000Hz 范围，调节RP1，以选定最佳工作交流电压提供给传感器H204C。

IC2、IC3 选用低功耗四运放LM2902，H204C
1
跨接在IC 2输出端1脚和反相端2 脚之间，与R4、C3等组成对数压缩电路。

IC3（LM2902）
4
（3）室内湿度控制
如图2.37 所示，湿度控制器由降压整流电路、湿度传感头、定时控制（排气扇）电路等组成，用于当室内的相对湿度超过某一值（如80％）时，启动排气扇，直至相对湿度降
至规定的值。

接成AC／DC转换电路，将IC2来的1000Hz 交流信号变换成直流信号，经滤波后加至数字电压表
或150μA 左右量程的直流电表，用以指示温度及其变化情况。

图 2.36 简易湿度测量电路
a）电路图b）特性曲
图 2.37 室内湿度控制电路降压整流电路为控制器提供V DD =1OV的电源电压。

湿度传感器采用型号为HOS201的湿
敏电阻。

它的特性如图2.37 （b）所示。

当相对湿度从40～8O％变化时，阻值变化范围从约
1 700MΩ变至约700kΩ，因而使IC（555）的
2 脚电平从低电平变至高电平（V DD ）。

IC
3 和湿敏传感网络及R5、C1等组成单稳态定时电路。

当湿度超过预定值时，555的2 脚呈高
电平，SCR 触发导通，将排气扇电源接通，进行排气降温。

排放时间由定时时间常数R5C1和控制端5 脚的电平所决定。

调节RP1，便可预置排放时间。

小结：气敏电阻传感器是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

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。

湿敏电阻传感器是进行湿度测量和控制的传感器，湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水
分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。

具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测和集中控制等优点。