传感器原理及应用-第9章.ppt

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 9 1气敏传感器 分类 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 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 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 表9 1半导体气体传感器的分类 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 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 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 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 1 m以下 上下为输出电极和加热电极 中间为加热器 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 内热式气敏器件结构 4 内热式加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内 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 旁热式气敏器件结构 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 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 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 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 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 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 气敏元件的基本测量电路 三 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 设置延时电路 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 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 3 应用举例例1 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 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 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 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 3 露点温度空气压力不变 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 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 当溶液置于一定温湿场中 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 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 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 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 Fe2O3及K2CO3为主要成分 另一种以ZnO V2O5 Li2O为主要成分 以 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 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 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 负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场 当水在半导瓷表面吸附时 就有可能从半导瓷表面俘获电子 使半导瓷表面带负电 如果该半导瓷是 型半导体 则由于水分子吸附使表面电势下降 将吸引更多的空穴到达其表面 其表面层的电阻下降 若该半导瓷为 型 则由于水分子的附着使表面电势下降 如果表面电势下降较多 不仅使表面层的电子耗尽 同时吸引更多的空穴达到表面层 有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度 出现所谓表面反型层 这些空穴称为反型载流子 它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性 使表面电阻下降 由此可见 不论是 型还是 型半导瓷 其电阻率都随湿度的增加而下降 1 ZnO LiO2 V2O5系2 Si Na2O V2O5系3 TiO2 MgO Cr2O3系 MgCr2O4 TiO2湿敏元件 负特性半导瓷 MgCr2O4为P型半导体 电阻率低 电阻 温度特性好 陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极 金电极与引出线烧结在一起 陶瓷片外设置加热线圈 对器件进行加热清洗 传感器的电阻值即受湿度影响 又受温度影响 ZnO Cr2O3湿敏元件 结构 将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上 并焊上铂引线 然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中 用树脂固定 特点 能连续稳定地测量湿度 无需加热除污装置 功耗低 体积小 成本低 正特性湿敏半导瓷的导电机理 当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时 导致其表面层电子浓度下降 但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度 此时仍以电子导电为主 于是 表面电阻将由于电子浓度下降而加大 这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的 表面电导占的比例很大 故表面层电阻的升高 必将引起总电阻值的明显升高 由于晶体内部低阻支路仍然存在 正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显 Fe3O4正特性半导瓷湿敏元件 结构 由基片 电极和感湿膜组成 在基片上制作一对梭状金电极 将Fe3O4胶体液涂覆在金电极的表面 工作过程 当空气湿度大时 Fe3O4吸湿 元件阻值增大 当空气湿度小时 Fe3O4脱湿 元件阻值减小 Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线 陶瓷湿敏传感器的优点 湿度滞后小 响应速度不超过10 15s 便于批量生产 陶瓷湿敏传感器的缺点 其长期可靠性较差 易受环境温度影响 3 电容湿敏传感器电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器 薄片状电容式湿敏传感元件 湿敏元件是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器 吸湿性电介质材料 感湿材料 主要有高分子聚合物 例如乙酸 丁酸纤维素和乙酸 丙酸纤维素 和金属氧化物 例如多孔氧化铝 等 特点 测全湿范围的湿度 且线性好 重复性好 滞后小 响应快 尺寸小 能在 10 70 的环境温度中使用 一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构 1 高分子聚合膜电容式湿敏元件 在玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上蒸镀一层叉指形金电极 下电极 在其表面上均匀涂覆 或浸渍 一层感湿膜 醋酸纤维膜 在感湿膜的表面上再蒸镀一层多孔性金薄膜 上电极 电容值与相对湿度的关系 响应特性 特点 由于电容器的上电极是多孔的透明金薄膜 水分子能顺利地穿透薄膜 且感湿膜只有一层呈微孔结构的薄膜 因此吸湿和脱湿容易 因此响应速度快 一种氧化铝薄膜电容式湿敏元件的结构 2 氧化铝薄膜电容式湿敏元件 结构特点 其感湿膜为一层多孔氧化铝薄膜 衬底为硼硅玻璃或蓝宝石 上金膜电极和两个下金或铂电极形成两个串联电容器 原理 当空气中的相对湿度变化时 吸附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化 引起电容值变化 三 湿度传感器的工作电路 对电路提供交流电源 电桥的一臂为湿度传感器 由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化 于是电桥失去平衡 产生信号输出 将交流信号变成直流信号 1 电源选择一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源 否则性能会劣化甚至失效 一般使用振荡器对电路提供交流电源 原因分析 电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的 在直流电源作用下 正 负离子必然向电源两极运动 产生电解作用 使感湿层变薄甚至被破坏 在交流电源作用下 正负离子往返运动 不会产生电解作用 感湿膜不会被破坏 2 相关电路电桥电路 电桥的一臂为湿度传感器 由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化 于是电桥失去平衡 产生信号输出 放大器 可把不平衡信号加以放大 整流器 将交流信号变成直流信号 由直流毫安表显示 振荡器和放大器都由9V直流电源供给 注 电桥法适合于氯化锂湿度传感器 表9 3湿敏传感器的应用范围和使用温度 湿度范围 四 湿度传感器的典型应用 1 一个烹调设备中湿度控制的应用实例 图9 21自动烹调设备中湿度检测控制系统原理框图 图9 22采用湿敏传感器的