传感技术-第10章-气、湿敏传感器

第10章气、湿敏传感器湿敏传感器1.2第10章气、湿敏传感器半导体气敏传感器9.19.2

气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不相同，不可能靠一种传感器检测所有类别的气体，因此，其种类很多。如：工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；环境保护，有害、有毒气体监测；酒后驾车，乙醇浓度检测。10.1半导体气敏传感器

汽车尾气分析酒精检测一氧化碳传感器可燃性气体传感器外形10.1半导体气敏传感器

按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使出最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面，还是深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型两类。

表面控制型：半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受（相互作用），使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；

体控制型：半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。10.1半导体气敏传感器

按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。

电阻型：利用半导体接触气体时，按其阻值的改变程度来检测气体的成分或浓度。

非电阻型：利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应、晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。10.1半导体气敏传感器

一、表面电阻控制型半导体气敏材料的导电机理利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，气体接触半导体表面被吸附，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。10.1半导体气敏传感器

当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从半导体器件夺得电子而变成负离子吸附。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向半导体器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。功函数(workfunction)：是指要使一粒电子立即从固体表面中逸出，所必须提供的最小能量（通常以电子伏特为单位）。这里“立即”一词表示最终电子位置从原子尺度上远离表面但从微观尺度上依然靠近固体。功函数是金属的重要属性。功函数的大小通常大概是金属自由原子电离能的二分之一。10.1半导体气敏传感器

当氧化型（电子接收性）气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型（电子供给性）气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型（电子供给性）气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，氧化型（电子接收性）气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。10.1半导体气敏传感器

N型半导体吸附气体时器件阻值变化图10.1半导体气敏传感器

规则总结：氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加；还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小;氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小;还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加。10.1半导体气敏传感器

二、表面电阻控制型半导体气敏传感器的结构烧结型气敏器件

薄膜型气敏器件

厚膜型气敏器件其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件。10.1半导体气敏传感器

烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。1.烧结型气敏器件10.1半导体气敏传感器

2.薄膜型气敏器件制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。10.1半导体气敏传感器

厚膜型气敏器件是将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，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成。优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。3.厚膜型气敏器件10.1半导体气敏传感器

加热器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，提高其灵敏度和响应速度。加热器的温度一般断收200~400℃左右。加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。10.1半导体气敏传感器

直热式气敏器件直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板。缺点：热容量小，易受环境气流的影响测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容易造成器件接触不良10.1半导体气敏传感器

旁热式气敏器件旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料。克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高。10.1半导体气敏传感器

1.简易家用气体报警采用直热式气敏传感器TGS09，当可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触导可燃性气体而电阻降低，回路电流增加，驱动蜂鸣器BZ报警。三、气敏传感器应用举例10.1半导体气敏传感器

2.矿灯瓦斯报警器10.1半导体气敏传感器

3.酒精检测报警器10.1半导体气敏传感器

NH3传感器甲烷传感器10.1半导体气敏传感器

所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。它通常有如下两种表示方法：

相对湿度(%RH):相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。相对湿度给出了大气的潮湿程度，是一个无量纲的量，实际中常用。

绝对湿度(AH):绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量，单位为g/m3。10.2湿敏传感器

露点（温度）在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度，相对湿度为100％RH。如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。10.2湿敏传感器

湿敏传感器的定义

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。

主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。

10.2湿敏传感器

湿敏传感器的分类

界限电流式湿敏传感器湿敏传感器电阻式电容式其它电解质式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等

湿敏传感器在精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。10.2湿敏传感器

水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部的这种特性称为水分子亲和力，水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如LiCl、ZnO材料的阻抗发生变化。因此，这些材料就可以制成湿敏元件。根据水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特性（即水分子亲和力），湿敏传感器可分为水分子亲和力型湿敏传感器和非水分子亲和力型湿敏传感器。10.2湿敏传感器

一、水分子亲和力型湿敏元件1.电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器

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。

氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，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。将它放在被测气体中，当气体湿度增大时，则氯化锂吸水量增加，导电性增强，电阻降低；反之，电阻值增加。10.2湿敏传感器

湿敏电阻结构示意图氯化锂湿度—电阻特性曲线

10.2湿敏传感器

由图可知，在50%~80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂（LiCl）含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH和（80%～99%）RH五种器件配合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，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。10.2湿敏传感器

2.陶瓷式电阻湿敏传感器

通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。优点在于能耐高温，响应速度快，体积