8、气体和湿度传感器

2
气敏传感器主要检测对象及其应用场所
3
8.1.1
气敏元件工作机理
1、半导瓷气敏传感器的工作原理 、
半导体材料( 表面吸附某些气体时，由于吸附效 半导体材料(如SnO2)表面吸附某些气体时，由于吸附效 应而产生导电现象，其导电率随气体浓度变化而变化。 应而产生导电现象，其导电率随气体浓度变化而变化。 多晶硅（ ），内部 例如气敏半导瓷材料氧化锡 SnO2多晶硅（N型），内部 电阻值可等效为三种电阻串联：（见吸附效应图） 电阻值可等效为三种电阻串联：（见吸附效应图） ：（ Rn—晶粒间的晶间电阻 Rs—单个晶粒表面电阻 Rb—单个晶粒的体电阻
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8.1.2
常用气敏元件的种类
常用气敏元件的种类按结构可分为： 常用气敏元件的种类按结构可分为： 1、烧结型 2、薄膜型 3、厚膜型 其中烧结型应用 最广泛。 最广泛。
8
常用气敏元件的分类（ 常用气敏元件的分类（2）
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1、烧结型气敏元件
烧结型SnO 气敏元件其敏感体用粒径很小 平均粒径≤ 其敏感体用粒径很小( 烧结型SnO2气敏元件其敏感体用粒径很小(平均粒径≤ m)的 粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂， １μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂， 可燃的还原性气体 混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体， 混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其 工作温度约300℃ 根据加热方式，分为直接加热式 300℃。 直接加热式和 工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热 两种。 式两种。 加热极兼电极 （1）直接加热式 SnO2气敏元件由芯片 (敏感体和加热器)， 敏感体和加热器) 基座和金属防爆网罩 三部分组成。 三部分组成。
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8.2
湿度传感器
随着现代工农业技术的发展及生活条件的提高，湿度的 随着现代工农业技术的发展及生活条件的提高， 检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。 检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。 例如：大规模集成电路生产车间，当其相对湿度低于30 例如：大规模集成电路生产车间，当其相对湿度低于30 容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间， ％时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿 度小而产生静电时，容易产生爆炸； 度小而产生静电时，容易产生爆炸；纺织厂为了减少棉纱断 车间要保持相当高的湿度(60 (60％ 75％ 一些仓库( 头，车间要保持相当高的湿度(60％—75％)；一些仓库(如 存放烟草、茶叶和中药材等) 存放烟草、茶叶和中药材等)在湿度过大时易发生变质或霉 变现象。 变现象。 湿度是指物质中所含水蒸气的量， 湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多 数是测量气体中的水蒸气含量。通常用绝对湿度 绝对湿度、 数是测量气体中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对湿度 露点(或露点温度)来表示。 和露点(或露点温度)来表示。
第8章
气体和湿度传感器
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8.1
气体传感器
能够感受被测气体并把气体(多数为空气) 能够感受被测气体并把气体(多数为空气)中的特定 成分检测出来， 成分检测出来，并将它转为可输出信号的器件称为气敏 传感器。 传感器。 气敏传感器最早用于可燃性气体泄露报警， 气敏传感器最早用于可燃性气体泄露报警，用于防 保证生产安全。以后逐渐推广应用， 灾，保证生产安全。以后逐渐推广应用，用于有毒气体 的检测、容器或管道的检漏、环境监测(防止公害) 的检测、容器或管道的检漏、环境监测(防止公害)、锅 炉及汽车的燃烧检测与控制(可以节省燃料， 炉及汽车的燃烧检测与控制(可以节省燃料，并且可以减 少有害气体的排放) 工业过程的检测与自动控制( 少有害气体的排放)、工业过程的检测与自动控制(测量 分析生产过程中某一种气体的含量或浓度)。 分析生产过程中某一种气体的含量或浓度) 近年来，在医疗、空气净化、 近年来，在医疗、空气净化、家用燃气灶和热水器 等方面，气敏传感器得到了普遍的应用。 等方面，气敏传感器得到了普遍的应用。
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3．厚膜气敏元件
厚膜器件是用SnO ZnO等材料与 ％～15 等材料与3 15％ 重量) 厚膜器件是用SnO2和ZnO等材料与3％～15％(重量)的硅 凝胶混合制成能印刷的厚膜胶， 凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先 安装有铂电极的A1 基片上， (400～800)℃烧结1h制成 烧结1h制成。 安装有铂电极的A1203基片上，以(400～800)℃烧结1h制成。 厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高， 厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批 量生产，是一种有前途的器件。 量生产，是一种有前途的器件。
Rn>> Rs
Rs >> Rb
则气敏电阻可等效为R 则气敏电阻可等效为Rn，半导瓷气敏电阻的阻值将随吸 附气体的数量和种类而改变。 附气体的数量和种类而改变。
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气敏半导瓷吸附效应模型
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N型半导体的气体吸附效应
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气敏半导瓷的特点
1、气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、 气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度。 甲烷、丙烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度。 Mo(钼粉 钼粉、 2、气敏半导瓷掺加Pd(钯石棉，PdCl2)、Mo(钼粉、钼 气敏半导瓷掺加Pd(钯石棉， Pd(钯石棉 Ga等杂质后可在常温下工作 等杂质后可在常温下工作， 酸)、Ga等杂质后可在常温下工作，对烟雾的灵敏度有明 显增加，可供制造常温工作的烟雾报警器。 显增加，可供制造常温工作的烟雾报警器。 3、气敏半导瓷与半导体单晶相比，具有工艺简单， 气敏半导瓷与半导体单晶相比，具有工艺简单， 使用方便，价格便宜，灵敏度高、响应速度快等优点， 使用方便，价格便宜，灵敏度高、响应速度快等优点，故 可用于制作多种具有实用价值的气敏元件。 可用于制作多种具有实用价值的气敏元件。 4、气敏半导瓷的缺点是温度、湿度影响较大。稳定 气敏半导瓷的缺点是温度、湿度影响较大。 性差，老化较快， 性差，老化较快，并需要进一步提高其气体识别的能力及 稳定性。 稳定性。
1 2 2 4 SnO2烧结体 3 4 1 3
(a)结构
(b)符号
直接加热式气敏器件结构及符号 直接加热式气敏器件结构及符号
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加热器
电极 1
6 4
（ ） 旁 热 式 气 敏 元 件
2 5 SnO2烧结体 瓷绝缘管 （b）符号 （a）结构 旁热式气敏器件结构及符号 Ø18.4 100 45 23 45 Ø1 7 气敏 件 3 2 1 4 5 6 7
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可燃性气体泄露报警器
为防止常用气体燃料如煤气(H CO等 为防止常用气体燃料如煤气(H2、CO等)，天 液化石油气(C 然气(CH 然气(CH4等)、液化石油气(C3H8、C4H10等)等气体 泄漏引起中毒、燃烧或爆炸，可以应用可燃性气 泄漏引起中毒、燃烧或爆炸， 体传感器配上适当电路制成报警器。 体传感器配上适当电路制成报警器。 目前在该报警器上大都使用SnO 气体传感器。 目前在该报警器上大都使用SnO2气体传感器。 但在湿度较大的场合例如厨房等，宜使用α 但在湿度较大的场合例如厨房等，宜使用αFe2O3气体传感器为核心的报警器，因为此类传感 气体传感器为核心的报警器， 器对湿度敏感性小，稳定性较好。 器对湿度敏感性小，稳定性较好。
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1．气敏电阻检漏报警器
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2．矿灯瓦斯报警器
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3、一氧化碳报警器
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4．煤气传感器
（1） 半导体式煤气传感器
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（2）接触燃烧式煤气传感器
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（3）煤气传感器的检测电路
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Pd-MOSFET气敏传感器 Pd-MOSFET气敏传感器
将普通MOS管的 金属栅极换成能溶于氢 管的Al金属栅极 将普通 管的 金属栅极换成能溶于氢 气(H2)的金属钯（Pd）或铂（Pt）。 的金属钯（ ）或铂（ ） 半导体用P型单晶硅，电阻率1.2 ·cm 半导体用 型单晶硅，电阻率 型单晶硅
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在其他方面的应用
除上述各种应用以外， 除上述各种应用以外，气体传感器还被广泛 用于医疗诊断，矿井安全等场合， 用于医疗诊断，矿井安全等场合，目前各类传感 器已有实用商品。 器已有实用商品。 作为半导体类传感器目前只能半定量化， 作为半导体类传感器目前只能半定量化，所 以被广泛使用在控制系统中。这类传感器的缺点 以被广泛使用在控制系统中。 是对气体的识别能力不强、稳定性较差、寿命短。 是对气体的识别能力不强、稳定性较差、寿命短。 电化学传感器可以定量检测气体的浓度， 电化学传感器可以定量检测气体的浓度，所 以目前已较好的使用在对环境监测的设备中， 以目前已较好的使用在对环境监测的设备中，但 其缺点是使用寿命短。 其缺点是使用寿命短。
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在汽车中应用的气体传感器
汽车为了节约能源， 汽车为了节约能源，防止环境污染和保持一个 良好的车内环境，需要配备各种气体传感器。 良好的车内环境，需要配备各种气体传感器。 1、控制燃／空比，需用氧传感器； 控制燃／空比，需用氧传感器； 2、控制污染，检测排放气体，需用CO、NOx、 控制污染，检测排放气体，需用CO、 CO HCl、 等传感器； HCl、02等传感器； 3、内部空调，需用CO、烟、湿度等传感器。 内部空调，需用CO、 CO 湿度等传感器。 在控制燃空比中使用的传感器最好选用固体电 解质的经稳定化处理的ZrO 传感器。 解质的经稳定化处理的ZrO2传感器。
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在工业中应用的气体传感器
在Fe和Cu等矿物冶炼过程中常使用氧传感器，在半导体 Fe和Cu等矿物冶炼过程中常使用氧传感器， 等矿物冶炼过程中常使用氧传感器 工业中需用多种气体传感器，在食品工业中也常用氧传感器。 工业中需用多种气体传感器，在食品工业中也常用氧传感器。 例如高炉用的氧传感器。在铁矿精炼时， 例如高炉用的氧传感器。在铁矿精炼时，使用的传感器 必须满足600℃以上的高温，耐热冲击性好，与熔融金属不发 必须满足600℃以上的高温，耐热冲击性好， 600℃以上的高温 生反应，耐腐蚀，电阻小。因此常用经稳定化处理的ZrO 生反应，耐腐蚀，电阻小。因此常用经稳定化处理的ZrO2氧 传感器。 传感器。 在半导体工业中常用的气体毒性大，需检测浓度极低( 在半导体工业中常用的气体毒性大，需检测浓度极低(为 数量级) 需要能够检测极低浓度、可靠性好的传感器。 10-19数量级)，需要能够检测极低浓度、可靠性好的传感器。 如果从保存方便、经济角度考虑， 如果从保存方便、经济角度考虑，电化学气体传感器是最有 希望应用的。 希望应用的。 在食品工业方面，在对水产物的鲜度进行科学评价时， 在食品工业方面，在对水产物的鲜度进行科学评价时， 常用气体传感器。如在鱼的保鲜时，鱼肉中有的核酸会分解， 常用气体传感器。如在鱼的保鲜时，鱼肉中有的核酸会分解， 其消耗氧量可用电化学氧传感器测定，也可用氧电极测定， 其消耗氧量可用电化学氧传感器测定，也可用氧电极测定， 以测鲜度。 以测鲜度。
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8.1.6 气体传感器的应用
气敏元件应用较广泛的是用于防灾报警， 气敏元件应用较广泛的是用于防灾报警，如 可制成液化石油气、天然气、城市煤气、 可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦 斯以及有毒气体等方面的报警器。 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、CO等气 气污染进行监测以及在医疗上用于对O CO等气 体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、 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。 酒精浓度探测等方面。
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2．薄膜ห้องสมุดไป่ตู้气敏元件
薄膜型气敏元件的结构如图所示。 薄膜型气敏元件的结构如图所示。采用蒸发或溅射方 法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测定， 法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测定， 证明SnO ZnO薄膜的气敏特性最好 薄膜的气敏特性最好。 证明SnO2和ZnO薄膜的气敏特性最好。但这种薄膜为物理 性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。 性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。
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检测污染或家电方面用的气体传感器
对于污染环境需要检测的气体有SO NOx、 对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOx、 CO、 因为需要定量测量， CO、CO2等，因为需要定量测量，宜选用电化学气体 传感器。 传感器。 在家电中除用于可燃气泄漏报警及换气扇、抽油 在家电中除用于可燃气泄漏报警及换气扇、 烟机的自动控制外， 烟机的自动控制外，也用于微波炉和燃气炉等家用 电器中。 电器中。 在微波炉中常选用SnO 气体传感器， 在微波炉中常选用SnO2气体传感器，气体传感 器测量出从食品中发出气体的浓度， 器测量出从食品中发出气体的浓度，可根据不同食 品的特性，选择负载电阻，确定响应时机， 品的特性，选择负载电阻，确定响应时机，以实现 烹调的自动控制。在燃气炉中常使用ZrO 烹调的自动控制。在燃气炉中常使用ZrO2气体传感器 测量燃／空比。 测量燃／空比。