传感器与检测技术课件第七章-气敏、湿度、水份传感器1

1、第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器传感器工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中某些气体的成分、浓度。某些气体的成分、浓度。例如，煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸；例如，煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸； 家庭发生煤气泄露时，将发生悲剧性事件；家庭发生煤气泄露时，将发生悲剧性事件； 农业大棚中农业大棚中CO2浓度不足时，农作物将减产；浓度不足时，农作物将减

2、产； 锅炉和汽车发动机气缸燃烧过程中氧含量不正确时，效锅炉和汽车发动机气缸燃烧过程中氧含量不正确时，效 率将下降，并造成环境污染。率将下降，并造成环境污染。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 早在早在20世纪世纪30年代就已发现氧化亚铜的导电率随水蒸汽的年代就已发现氧化亚铜的导电率随水蒸汽的吸附而发生改变。吸附而发生改变。 许多金属氧化物都有气敏效应：许多金属氧化物都有气敏效应：SnO2、ZnO、Fe2O3等。等。 60年代研制成功了年代研制成功了SnO2气敏元件。气敏元件。 这些金属氧化物氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导这些金属氧化物氧化物都是利用陶瓷工艺制

3、成的具有半导体特性的材料，因此称之为体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷半导体陶瓷，简称，简称半导瓷半导瓷。 第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 半导体气体传感器的分类半导体气体传感器的分类第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 半导体传感器的特点：半导体传感器的特点：优优点点1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。部件，可以做到结构简单，微型化。2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物

4、理量。）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化，智能化。）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化，智能化。4）功耗低，安全可靠。）功耗低，安全可靠。缺缺点点1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路路2）与所有半导体元件一样，输出特性容易受到温度影响而）与所有半导体元件一样，输出特性容易受到温度影响而产生温漂，所以应采用补偿措施。产生温漂，所以应采用补偿措施。3）性能参数离散性大。）性能参数离散性大。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 一、气敏元件工作机理一

5、、气敏元件工作机理气敏半导瓷材料氧化锡（气敏半导瓷材料氧化锡（SnO2）是是N型半导体。它的导电机理可以型半导体。它的导电机理可以用吸附效应解释。用吸附效应解释。图图a）为烧结型）为烧结型N型半导瓷的模型。型半导瓷的模型。这种材料为多晶体，这种材料为多晶体，晶粒间有较晶粒间有较高电阻，晶粒内部电阻较低。高电阻，晶粒内部电阻较低。a）第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 一、气敏元件工作机理一、气敏元件工作机理Rn为颈部等效电阻为颈部等效电阻Rb为晶粒的等效体电阻为晶粒的等效体电阻Rs为晶粒的等效表面电阻为晶粒的等效表面电阻Rb阻值较低不受吸附气体影响阻值较低不受吸附

6、气体影响Rn、 Rs受吸附气体所控制受吸附气体所控制且且Rn Rb，RsRb。故电路等效为图故电路等效为图c)a）半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附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。气体的数量和种类而改变。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 一、气敏元件工作机理一、气敏元件工作机理这类半导瓷气敏电阻工作时都需要加热。这类半导瓷气敏电阻工作时都需要加热。加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由扩散，期间一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。面自由扩散，期间一部分分子蒸发，一部

7、分分子固定在吸附处。氧化型气体氧化型气体还原型气体还原型气体材料的功函数小于吸附分子的离解能，吸附分子材料的功函数小于吸附分子的离解能，吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附。将从材料夺取电子而变成负离子吸附。O2、氮氧化合物属氧化型气体。、氮氧化合物属氧化型气体。吸附在吸附在N型半导体上，将使载流子减少，电阻率型半导体上，将使载流子减少，电阻率增大增大材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而变成正离子吸附。将向材料释放电子而变成正离子吸附。H2、碳氢化合物属还原型气体。、碳氢化合物属还原型气体。还原性气体吸附到还原性气体吸附到N

8、型半导体上，将使载流子增型半导体上，将使载流子增多，电阻率下降。多，电阻率下降。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。该类气敏元件通常工作在高温状态（性。该类气敏元件通常工作在高温状态（200450），目），目的是为了加速上述的氧化还原反应。的是为了加速上述的氧化还原反应。一、气敏元件工作机理一、气敏元件工作机理图图 7-2 N7-2 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100550加 热 开 关大 气 中2 min 4 min

9、吸 气 时还 原 型氧 化 型稳 定 状态器 件 加 热响 应 时 间 约 1 min以 内器 件 电 阻 / k第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 一、气敏元件工作机理一、气敏元件工作机理半导瓷气敏元件与半导体单晶比较：半导瓷气敏元件与半导体单晶比较：优点：优点：工艺简单，使用方便，价格便宜，对气体的浓度变化响工艺简单，使用方便，价格便宜，对气体的浓度变化响应快，即使在低浓度下灵敏度也很高，故可用于制作多种具有应快，即使在低浓度下灵敏度也很高，故可用于制作多种具有实用价值的气敏元件实用价值的气敏元件缺点：缺点：稳定性差，老化快，并需要进一步提高其气体识别的能稳定

10、性差，老化快，并需要进一步提高其气体识别的能力及稳定性。力及稳定性。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类按结构可分为：按结构可分为： 烧结型烧结型 薄膜型薄膜型 厚膜型厚膜型其中其中烧结型烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件。气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类1.烧结型气敏元件烧结型气敏元件 烧结型气敏器件的制作是烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料将一定比例的敏感材料（SnO2、Zn

11、O等）和一些掺等）和一些掺杂剂（杂剂（Pt、Pb等）用水或粘等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。外壳就构成器件。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类1.烧结型气敏元件烧结型气敏元件烧结型器件由于烧结不充烧结型器件由于烧结不充分，器件机械强度不高，

12、分，器件机械强度不高，电性能一致性较差，但由电性能一致性较差，但由于价格便宜，制作方法简于价格便宜，制作方法简单，器件寿命长，目前仍单，器件寿命长，目前仍得到广泛应用。得到广泛应用。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类2.薄膜型气敏元件薄膜型气敏元件 制作采用蒸发或溅射的方制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物上形成一薄层金属氧化物薄膜（如薄膜（如SnOSnO2 2、ZnOZnO等），等），再引出电极。实验证明：再引出电极。实验证明：SnOSnO2 2和和ZnOZnO薄膜

13、的气敏特薄膜的气敏特性较好性较好这种薄膜为物理性附着系统，这种薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。器件之间的性能差异仍较大。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类3. 厚膜型气敏元件厚膜型气敏元件 厚膜型气敏器件是将厚膜型气敏器件是将SnOSnO2 2和和ZnOZnO等材料与等材料与3 31515重量重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝绝缘基片装有铂电极的氧化铝绝缘基片上，在上，在400400800800高温下烧高温下烧结

14、结1 12 2小时制成小时制成优点：一致性好，机械强度高，优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。适于批量生产。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类以上三类气敏元件都附有加热器，以上三类气敏元件都附有加热器，加热器的作用加热器的作用： 能使附着在探测部分的雾、尘埃等烧掉能使附着在探测部分的雾、尘埃等烧掉 加速气体的吸附，提高灵敏度和响应速度加速气体的吸附，提高灵敏度和响应速度 一般加热到（一般加热到（200400200400），具体温度视所掺杂质不同而），具体温度视所掺杂质不同而异异第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节

15、第一节 气敏传感器气敏传感器 二、常用气敏元件的种类二、常用气敏元件的种类特点：特点： SnOSnO2 2中添加物对气敏效应有影响中添加物对气敏效应有影响 烧结温度和加热温度对气敏效应有影响烧结温度和加热温度对气敏效应有影响 SnOSnO2 2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。短，可连续长时间使用。 低 浓 度 下 灵 敏 度 高 ， 高 浓 度 下 趋 于 稳 定 值 。低 浓 度 下 灵 敏 度 高 ， 高 浓 度 下 趋 于 稳 定 值 。 这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此，器件常用这一特点非常适宜检

16、测低浓度微量气体。因此，器件常用于检查可燃性气体的泄露、定限报警等。于检查可燃性气体的泄露、定限报警等。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 基本测量电路基本测量电路实际的电阻型气敏器件有实际的电阻型气敏器件有6个引脚。个引脚。A、A，B、B端两只引脚内部分端两只引脚内部分别连在一起。别连在一起。测量回路包括气敏元件的测量回路包括气敏元件的加热回路和测试回路。加热回路和测试回路。电极电极A、B间等效为间等效为Rs，负载电阻上的电压为：负载电阻上的电压为：URRRUsLLo第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 三、气敏元件的应用三、气敏元件

17、的应用 半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：按其用途可分为以下几种类型： （1 1）检漏仪或称探测器）检漏仪或称探测器 它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气- -电转换电转换元件，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探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。体探测仪器。这类仪

18、器通常都要求有高灵敏度。 （2 2）报警器）报警器 这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。器。 第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 三、气敏元件的应用三、气敏元件的应用 半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：按其用途可分为以下几种类型： （3）自动控制仪器）自动控制仪器 它是利用气敏元件的气敏特性实

19、现电气设备自动控制仪器。它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。 （4）测试仪器）测试仪器 它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体种类和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分种类和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配以高精度测量电路。也要配以高精度测量电路。 第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 三、气敏元件的应用三、气敏元件的应用2.矿灯瓦斯报警器矿灯瓦斯报警器看课本图看课本图7-

20、8第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 三、气敏元件的应用三、气敏元件的应用4.煤气传感器煤气传感器半导体式半导体式传感器由金属氧化物半传感器由金属氧化物半导体的烧结体或烧结膜导体的烧结体或烧结膜等感应体和加热用的加等感应体和加热用的加热器两部分组成。热器两部分组成。保持在（保持在（200400）的感应体当接触到煤气时，电导率会）的感应体当接触到煤气时，电导率会根据其中半导体类型和还原性气体浓度而变化。根据其中半导体类型和还原性气体浓度而变化。第七章 气敏、湿敏、水分传感器第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 三、气敏元件的应用三、气敏元件的应用4.煤气传感器煤气传感器接触燃烧式接触燃烧式传感器由铂丝与贵金属催化剂传感器由铂丝与贵金属催化剂和铝载体构成。铂丝上通以电和铝载体构成。铂丝上通以电流使铝载体达到（流使铝载体达到（300400）一旦接触到煤气，借助贵金属催化剂，煤气发生燃烧，温度上一旦接触到煤气，借助贵金属催化剂，煤气发生燃烧，温度上升，导致铂丝电阻值增加，由电