《传感器技术及应用》课件第10章 化学传感器

第10章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3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10-1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10-2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。

图10-3薄膜型气敏器件的结构 图10-4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）

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。

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10-5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3）氧化锆氧气传感器在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后，其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15%mol左右时，离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。

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

1）电路组成及作用

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。

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10-6矿井瓦斯超限报警器

2）工作原理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。

2．有害气体报警电路电路中晶体管VT采用U850，它是一种高增益的达林顿晶体管。在纯洁的空气中，气敏传感器的A-B间内阻较大，此时B点为低电位，VT不导通，因此，KD9561无工作电流而不报警。

当传感器接触到有害可燃气体后，A-B间电阻变小，B点电位升高并向C2充电，当充电电位达到U850导通电位（约1.4V），VT导通，驱动报警器KD9561报警。一旦有害气体浓度降低，使B电位低于1.4V时，VT截止，报警解除。若将本电路的负载改为继电器，如图2-20（b）所示，即可成为自动排气控制装置。

图10-7有害气体报警电路

3．实用酒精测试仪图2-21所示为实用酒精测试仪的电路。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10-8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。

图10-9防止酒后驾车控制器原理图

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。10.2

湿敏传感器

湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。湿度的检测已广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。

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。

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。

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。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。

图10-10湿敏电阻结构示意图 图10-11氯化锂湿度—电阻特性曲线

1—引线；2—基片；3—感湿层；4—金电极

10.2.2半导体陶瓷湿敏电阻

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3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。

1．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P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，于是，其表面层的电阻下降。

若该半导瓷为N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，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。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。

2．正特性湿敏半导瓷的导电机理

当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这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。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。

图10-12几种半导瓷湿敏负特牲 图10-13Fe3O4半导瓷的正湿敏特牲

1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2O-V2O5；

3—TiO2-MgO-Cr2O3

3．典型半导瓷湿敏元件1）MgCr2O4—TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物—二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特牲半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，两面涂覆有多孔金电极。

金电极与引出线烧结在起，为了减少测量误差、在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂—铱合金。

图10-14MgCr2O4—TiO2陶瓷湿度传感器的结构 图10-15MgCr2O4—TiO2陶瓷湿度传感器

1—加热线圈；2—湿敏陶瓷片；3—电极； 相对湿度与电阻的关系

4—引线圈电极；5—底板；6—引线

2）ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏元件

ZnO—Cr2O3湿敏元件的结构是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。

ZnO—Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。

图10-16ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构 图10-17Fe3O4湿敏元件构造

1—外壳；2—烧结元件；3—电极；1—滑石板；2—金电极；

4—树脂固封；5—引线；6—滤网 3—Fe3O4胶粒；4—引线

（3）四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件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。

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。当环境温度不同时，涂覆膜上所吸附的水分也随之变化，使梭状金电极之间的电阻产生变化。

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，有较为一致的湿敏特性和较好的温度—湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程（60%RH98%RH）需要2min，脱湿过程（98%RH12%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

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．砖坯水分检测器电路工作原理组成：湿度检测探头、稳压基准电源、比较器、开关电路和声光报警电路组成。稳压基准电源电路由电阻器R1和集成稳压器IC1组成，IC1选用TL431集成稳压器。比较器电路由集成电路IC2和电阻器R2、R3、电位器RP1、RP2等组成，IC2选用LM393集成电路。

开关电路由开关管VT1、二极管VD1、VD2和电阻器R4等组成。声光报警电路由发光二极管VL1、VL2、电阻器R6、R7、音乐集成电路IC3、音频放大管VT2和扬声器BL等组成。IC3选用KD9561或LC179音效集成电路。

工作原理:

将湿度检测探头插入砖坯中，两支检测探头之间的电阻值将随着砖坯含水量的高低而变化。当砖坯的含水量在工艺允许范围内，IC2a和IC2b均输出高电平，使VD1、VD2和VT1均截止，扬声器BL不响，发光二极管VL1和VL2均不亮。

当砖坯水分含量低于工艺允许值的下限时，两检测探头之间的阻值较正常时偏大，使IC2a反相输入端的电位增高，其输出端变为低电平，使VD1和VTl均导通，绿色发光二极管VL1点亮，同时IC3和V2工作，扬声器BL发出报警声，提醒检验员砖坯的湿度不够。

当砖坯水分含量高于工艺上限时，两检测探头之间的阻值较正常时偏小，使IC2b的同相输入端电位变低，其输出端变为低电平，使VD2和VT1均导通，红色发光二极管VL2点亮，IC3和VT2工作，扬声器BL发出报警声，提醒检验员砖坯的含水量过高。

图10-20砖坯水分检测器电路

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，湿敏器件H的等效电阻RP值下降到某一特定值，R2与RP并联的电阻值减小，VT1截止，VT2导