传感器技术及应用（第二版）化学传感器

化学传感器本章内容

10.1气敏传感器

10.2湿敏传感器

学习目标

了解气敏电阻的分类、典型应用。了解湿敏电阻的分类、典型应用。

10.1气敏传感器

10.1.1分类、原理用来检测气体类别、浓度和成分。主要用于工业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。

1.半导体气敏传感器

按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类。烧结型气敏器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700℃～900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷。

（a）（b）图10-2直热式气敏器件结构及符号（a）结构；（b）符号1—SnO2烧结体；2—Ir-Pd合金丝（加热器兼电极）

（a）（b）图10-3旁热式气敏器件结构及符号（a）结构；（b）符号1—加热器；2—电极；3—SnO2烧结体；4—瓷绝缘管

薄膜型器件它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下）制作方法也很简单。厚膜型器件这种器件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，经烧结制成的，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附。加热器的温度一般控制在200～400℃左右。

图10-4薄膜型气敏器件的结构 图10-5厚膜型气敏器件的结构

1—氧化物半导体；2—电极； 1—电极；2—氧化物半导体；

3—引线；4—基片；5—加热器 3—基片；4—加热器（印刷厚膜电阻）气敏元件外形

酒精传感器

其他可燃性气体传感器酒精传感器的选择性一氧化碳传感器NH3传感器甲烷传感器

2．接触燃烧式气体传感器1）接触燃烧式气体传感器检测原理当可燃性气体如H2、CO、CH4等与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生无焰接触燃烧热，使得传感器中的铂丝温度升高，电阻值相应增大。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（ΔR），就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。

2）接触燃烧式气敏元件的结构图2-18为接触燃烧式气敏元件结构示意图，用高纯的铂丝，绕制成线圈，为了使线圈具有适当的阻值（1

～2

），一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层，干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球，放在贵金属铂、钯等的盐溶液中，充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理，使在氧化铝（氧化铝一氧化硅）载体上形成贵金属触媒层，最后组装成气体敏感元件。除此之外，也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状，涂覆在铂丝绕成的线圈上，直接烧成后备用。（a）（b）图10-7接触燃烧式气敏元件结构示意图（a）元件的内部示意图；（b）敏感元件外形图1—触媒；2—氧化铝载体；3—铂丝；4—元件

10.1.2气敏传感器的主要要求

选配气敏传感器时主要考虑气敏传感器的主要性能：对被测气体具有较高的灵敏度。对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。性能稳定，重复性好。动态特性好，对检测信号响应迅速。使用寿命长。制造成本低，使用与维护方便等。

10.1.3气敏传感器应用

1．矿井瓦斯超限报警器

QM-N5为旁热式气敏传感器，它和R1、RP组成瓦斯气体检测电路；晶体管VS作为无触点电子开关。当无瓦斯或瓦斯浓度很低时，QM-N5的A-B极间电阻很大，电位器RP滑动触点电压小于0.7V，VS不被触发，警笛声电路无电源不发声；当瓦斯气体超过安全标准时，A-B极间电阻迅速减小，当RP滑动触点电压大于0.7V，VS被触发导通，警笛电路得电，发出报警声。

LC179型三模拟声报警专用集成电路，它采用双列8脚直插塑料硬封装，内部集成了功率放大器，可直接驱动扬声器发声，可产生3种不同的模拟报警声响，LC179的第1、2脚为外接振荡电阻器端，可改变发声音调；第3脚为负电源端；第4脚为音频输出端；第5脚为正电源端；第6、7脚为空脚端；第8脚为选声端，当它“悬空”时，可产生模拟警车电笛声；当它接电源正端时，可产生模拟消防车电笛声；当它接电源负端时，可产生模拟救护车电笛声。LC179的主要电参数：工作电压范围3V～4.5V，工作电流＜150μA，最大输出电流可达150mA，工作温度范围－10℃～60℃。

图10-8矿井瓦斯超限报警器2.家用有毒气体探测报警器

一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气中达到一定浓度时，将危及人的健康与安全。本电路线路简单，但具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。图10-9有毒气体探测报警电路

当空气中有毒气体浓度下降至使A、K两点间恢复高阻时，K点电位低于1.4V，U850截止，报警解除。

图示电路作为探测头，它是一种新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件。和其他气敏传感器一样，QM--N10也有一个加热丝和一对探测电极，它是用半导体N型材料制成的。

当空气不含有毒气体时，A、K两点间的电阻很大，流过RP的电流很小，K点为低电位，达林顿管U850不导通；当空气中含有还原性气体时(如上述有毒气体)，A、K两点间的电阻迅速下降，通过RP的电流增大，K点电位升高，向C2充电直至达到U850导通电位(约1.4V)时，U850导通，驱动发声集成片KD9561发声。家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器

3.实用酒精测试仪

该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出醉酒的程度，确定被试者是否适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时，加在A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。

A为显示推动器，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。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平，酒精含量不超过0.05%。

图10-10酒精测试仪电路

4．防酒后驾车控制器

图中QM-J1为旁热式气敏传感器元件，若司机没有喝酒，或酒精浓度较低时，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件间电阻很高，Ua为高电平，则U1为低电平，555定时器截止，U3为高电平，K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，绿灯VD1亮，常闭触点K2-1闭合，发动机点火启动。若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使Ua为低电平，则U1为高电平，555定时器导通，U3为低电平，继电器K2带电吸合，K2-2常闭触点断开，常开触点闭合，红灯VD2亮，以示警告，常闭触点K2-1断开，发动机无法启动。若司机拔出器敏器件，则继电器K1失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证控制器处于准备工作的状态。

图10-11防止酒后驾车控制器原理图10.2湿敏传感器湿度是指大气中的水蒸气含量。绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。如果超过这个限度，多余的水蒸气就会凝结，变成水滴，此时的空气湿度便称为饱和湿度。湿度的相关概念

湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害

湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。湿敏传感器

湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿敏传感器的分类

10.2.1氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。

湿敏电阻结构示意图

1—引线；2—基片；

3—感湿层；4—金电极

在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+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，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。

氯化锂湿度—电阻特性曲线10.2.2陶瓷湿敏传感器

金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响应速度快；可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作；工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。主要缺点是：材料固有电阻大，高温性能不够稳定，难以集成化等。

一般金属半导体氧化物陶瓷，如MgCr2O4-TiO2等，具有感湿负特性，湿度增大，电阻减小。过渡金属氧化物半导体陶瓷，如Fe3O4等，具有感湿正特性。

几种湿敏传感器的结构及特性

用P型半导体MgCr２O4及N型半导体TiO２粉粒为原料,配比混合，烧结成复合型半导体陶瓷。当水分子吸附在表面时，其表面电阻明显下降。1）MgCr2O4—TiO2湿敏元件

1—加热线圈；

2—湿敏陶瓷片；

3—电极；

4—引线圈电极；相对湿度与电阻的关系

5—底板；

6—引线陶瓷湿度传感器演示

在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金属电极模，焊接铂铑引线，封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。这种传感器不须用加热器，只需0.5mW的微小功率即可使用。已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、环境保护、家用电器等许多领域。2）ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏元件

ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构

1—外壳；2—烧结元件；3—电极；

4—树脂固封；5—引线；6—滤网

3）四氧化三铁

四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。基片上制作一对梭状金电极，然后将预先配制好的Fe3O4胶体液涂覆在梭状金电极的表面，进行热处理和老化。

1—滑石板；2—金电极；

3—Fe3O4胶粒；4—引线

Fe3O4胶体之间的接触呈凹状，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，当空气相对湿度增大时，Fe3O4胶膜吸湿，由于水分子的附着，降低粒间的电阻和增加更多的导流通路，所以元件阻值减小。当处于干燥环境中，胶膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。

Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，但器件响应时间长，吸湿过程（60%RH～98%RH）需要2min，脱湿过程（98%RH～12%RH）需5～7min。

10.2.3湿敏传感器的应用1．直读式湿度计

其中RH为氯化锂湿度传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为250～1000Hz。电桥输出经变压器T2、C3耦合到VT3、经VT3放大后的信号，由VD1～VD4桥式整流后，输入给微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。

图10-18直读式湿度计电路图电子湿度计模块封装后的外形电子式温湿度计

2．自动喷灌控制器电路工作原理

电源电路由电源变压器T、整流桥UR、隔离二极管VD2、稳压二极管VS和滤波电容器C1、C2等组成。交流220V电压经T降压、UR整流后，在滤波电容器C2两端产生直流6V电压。该电压一路供给微型水泵的直流电动机（采用交流电动机的大、中型水泵使用交流220V电源供电，见图中虚线所示）；另一路经VD2降压、VS稳压和C1滤波后，产生+5.6V电压，供给VT1～VT3和继电器K。

图10-19自动喷灌控制电路

湿度传感器插在土壤中，对土壤湿度进行检测。当土壤湿度较高时，湿度传感器两电极之间的电阻值较小，使VT1、VT2导通，VT3截止，继电器K不吸合，水泵电动机M不工作。当土壤湿度变小，使湿度传感器两电极之间的电阻值增大至一定值时，VT1和VT2将截止，使VT3导通，继电器K吸合，其常开触头K接通，使水泵电动机M通电，喷水设施开始工作。当土壤中的水分增加到一定程度，湿度传感器两电极间的电阻值减小至一定值时，VT1和VT2又导通，使VT3截止，继电器K释放，水泵电动机M停转。当土壤水分减少至一定程度时，将重复进行上述过程，从而使土壤保持较恒定的湿度。

3．婴儿尿床报警器婴儿尿床后，若不能及时发现并更换尿布，则会有害婴儿皮肤健康。婴儿尿床报警器，能在婴儿尿床后几分钟内发出“注意换尿布”的语言提示声，提醒妈妈为宝宝更换尿布。婴儿尿床报警器由湿敏传感器、延迟放大电路、语音报警电路和电源电路等组成，

延迟放大电路由晶体管VI～V3、半导体二极管VD、充电电容器C1、电位器RP和有关外围元器件组成。语音报警电路由语音集成电路IC、音频放大管V4、扬声器BL和外围阻容元件组成。电源电路由电源开关S、电源GB和滤波电容器C3组成。接通电源开关S后，电源GB为整机各电路提供工作电压。在婴儿未尿床时，湿敏传感器两端的电阻值几乎为无穷大，晶体管VI截止，V2导通，二极管VD和晶体管V3均截止，语音集成电路IC因触发端(TRl)始终为低电平而不工作，扬声器BL不发声。

工作原理:

一旦婴儿尿床，湿敏传感器两端因尿液导电而由高阻状态变为低阻状态，使V1正偏导通，V2截止，电源电压经RP对电容C1充电，当C1充电结束后(1-2min)，VD与V3相继导通，V3发射极输出的高电平使IC受触发而工作，从IC的输出端(O／P)输出语音电信号，该信号经V4放大后，推动扬声器BL发出语音提示声。调节RP的电阻值，可改变婴儿尿床后报警器动作的延迟时间，改变R3的电阻值，可改变报警语音的声调。

婴儿尿床报警器电路

4．汽车挡风玻璃自动去湿电路图中RS为嵌入玻璃的加热电阻丝，H为结露感湿器件；晶体管VT1和VT2接成施密持触发电路，VT2的集电极负载为继电器K的线圈绕组。VT1基极电阻为R1，R2和湿敏器件H的等效电阻RP并联。使在常温、常湿下VT1导通，VT2截止。一旦由于阴雨使湿度增大