传感器技术 课件 第6章环境传感器

第6章环境传感器理论知识Contents目

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气敏传感器6.1

湿敏传感器6.2

声敏传感器6.36.1气敏传感器气敏传感器能够感知环境中气体的类型、浓度和成分的一种敏感器件，广泛用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门生产过程的检测与自动控制、容器或光电泄露的检测、环境监测、医疗卫生、易燃易爆有毒有害气体检测预报和自动控制。1.气敏传感器的基础知识燃烧过程中的氧气浓度、监测化学反应中的反应气体浓度等，在工业生产中可用于监测和控制气体的浓度和成分。烟雾、可燃气体和一氧化碳等火灾相关气体，用于火灾报警系统和安全设备。尾气排放、车内空气质量和轮胎压力等，应用于汽车领域。呼吸气体中的氧气、二氧化碳和其他气体成分，用于呼吸机、麻醉设备和健康监护仪器。空气中的污染物，例如甲醛、二氧化碳、挥发性有机化合物等，用于空气质量监测、工业废气处理和环境保护。气敏传感器可以检测气敏元件应用领域1.气敏传感器的基础知识气敏元件的特性参数固有电阻值Ra：常温下在洁净空气中的电阻值灵敏度：被测气体的敏感程度分辨率：区分气体种类的能力响应时间：接触被测气体后的响应速度恢复时间：对被检测气体的脱附速度气敏元件加热电阻：加热器的电阻值加热功率：正常工作所需加热电路的功率气体浓度：单位体积质量浓度1.气敏传感器的基础知识恢复时间trc为元件脱离检测气体开始，到其阻值恢复到正常空气中阻值63%所需的时间。恢复时间表示气敏元件对被检测气体的脱附速度，又称脱附时间。03气敏元件（电阻型）固有电阻值Ra常温下电阻型气敏元件在洁净空气中的电阻值称为固有电阻，固有电阻值Ra一般几十千欧到几百千欧姆范围内。测定固有电阻值Ra时必须在洁净的空气环境中进行测量。01响应时间tr为元件接触被测气体后，电阻达到该浓度下稳定阻值63%时所需的时间。响应时间代表气敏元件对被检测气体的响应速度02（4）灵敏度：指器件对被测气体的敏感程度。1.气敏传感器的基础知识电阻灵敏度，指气体传感器在一定浓度的检测气体中的电阻Rg与固有电阻Ra之比，可表示为气体分离度，气体浓度分别为g1、g2时，气体元件的电阻Rg1、Rg2之比，可表示为电压灵敏度，气敏元件在固有电阻值时的输出电压Va与在规定浓度下负载电阻的两端电压Vg之比为电压灵敏度,表示为α=Rg1/Rg2KV=Va/Vg（5）分辨率在多种气体共存的条件下，气体传感器具有的区分气体种类的能力。以待测气体的灵敏度与干扰气体的灵敏度之比S表示分辨率。

分辨率的表达可用下式表示：

式中，Kg1表示传感器对待测气体的灵敏度,Kg2表示传感器对干扰气体的灵敏度。

当相同浓度的几种气体共存时，传感器对某种气体具有较高的灵敏度，而对其余几种气体的灵敏度比较低，即S值较大，说明此传感器对灵敏度高的气体具有较好的选择性。第二种分辨率表达方式，即：

S=(Vg-Va)/(Vgi-Va)式中，Vgi为在规定浓度下，元件在第i种气体中负载电阻上的电压。1.气敏传感器的基础知识

（6）气敏元件加热电阻RH和加热功率PH①

加热电阻RH：气敏元件一般工作在200℃以上的高温，为气敏元件提供必要的工作温度的加热电路的电阻（指加热器的电阻值）称为加热电阻。一般直热式气敏元件的加热电阻小于5欧姆；旁热式气敏元件的加热电阻大于20欧姆。②

加热功率PH:气敏元件正常工作所需加热电路的功率。一般在0.5瓦到2瓦之间。①

单位体积质量浓度

是指单位体积空气中所含污染物的质量数，常用mg/m3或μg/m3表示。②

体积比浓度

是指100万体积空气中含污染气体或蒸气的体积数，常用mL/m3和μL/m3表示。（7）气体浓度1.气敏传感器的基础知识2.常见气体传感器工作原理1）电阻式半导体气体传感器半导体型气体传感器是利用半导体气敏器件同气体接触，造成半导体性质变化，来检测气体的成分或浓度的气体传感器。可分为电阻式和非电阻式。主要用于工业上，如天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，它是以金属氧化物为基体材料，添加不同物质在高温下绕结而成的，在烧结体的内部还装有测定电阻的电极。气体在半导体材料颗粒表面的吸附可导致材料载流子浓度发生相应的变化，从而改变半导体元件的电导率。为了加速反应，通常在气敏元件中设置有加热器。在气敏元件的外部还装有不锈钢丝网罩对元件进行保护。2.常见气体传感器工作原理表面电阻控制型气敏器件利用半导体表面因吸附气体引起元件电阻值变化的特性多数以可燃性气体为检测对象具有气体检测灵敏度高、响应速度快等优点，材料多数采用氧化锡、氧化铁等较难还原的氧化物，也有采用有机半导体材料的。为了提高选择性和灵敏度，会渗入一些催化剂，如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)等。当器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，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）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力（气体的吸附和渗透特性）时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。2.常见气体传感器工作原理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。具有正离子吸附倾向的气体有氢、碳氧化合物、醇类等，如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。它们被称为还原型气体或电子供给性气体，也就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体，多数属于可燃性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，半导体载流子将减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。N型，阻值随气体浓度的增大而减小；有SnO2、Fe2O3、ZnO、TiOP型，阻值随气体浓度的增大而增大；有CoO2、PbO、Mn02、CrO32.常见气体传感器工作原理SnO2金属氧化物半导体气敏传感器，属于N型半导体，在工作状态下吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体(如CO等)时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体消失,金属氧化物半导体

又会自动恢复氧的负离子吸附,使电

阻值升高到初始状态。随着气体的浓度增加，元件阻值明显减少还原型气体吸附到N型半导体上

2.常见气体传感器工作原理随着气体的浓度增加，元件阻值明显增大还原型气体吸附到P型半导体上对不同气体的敏感程度不同，半导体气敏时间（响应时间）一般不超过1min。采用敏感元件与基准电阻器串联，外加电压，再根据基准电阻器上的电压值可求出气敏元件的电阻值。气体报警器就是利用测量的阻值变化作为蜂鸣器的报警信号。2.常见气体传感器工作原理烧结体型：以多孔质SnO2，ZnO等氧化物为基体材料，并添加激活剂以及黏结剂混合成型，采用传统制陶方法进行烧结，形成晶粒集合体后烧结而成。制作简单，主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸汽，但机械强度较差，电特性误差较大。薄膜型：以石英或陶瓷为绝缘基片，基片一面印上加热元件，另一面镀上测量电极，并利用真空溅射、化学气相沉积等工艺方法在绝缘基片上制作薄膜。敏感膜颗粒很小，具有很高的灵敏度和响应速度，有利于器件的低功耗、小型化，以及与集成电路制造技术兼容。厚膜型：将传感器的氧化物材料如SnO2，ZnO等粉末与适量的硅凝胶混合，然后印刷在事先安装有铂电极和加热元件的Al2O3基片上，待自然干燥后再经400～800℃温度烧结lh而制成。一致性较好，机械强度高，生产工艺简单，成本低，适于批量生产。2.常见气体传感器工作原理直热式器件：将加热丝和测量电极一起直接埋入材料内，优点是工艺简单、成本低、功耗小，可以在较高回路电压下使用，缺点是热容量小，测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响引入附加电阻，易受环境气流的影响。旁热式器件：在陶瓷管的管芯内放入高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量电极，在金电极的外面再涂Sn02材料。测量回路与加热回路间隔离，加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路间的相互影响，器件热容量大，降低了环境因素对器件加热温度的影响，稳定性、可靠性都较直热式器件的好。气敏元件中设置加热器作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度。一般加热到200-450℃，加热时间2～3分钟，加热电源一般为5V。2.常见气体传感器工作原理非电阻式半导体气体传感器非电阻型半导体气敏传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜，主要用于氢气浓度测量。由于半导体气体传感器具有结构简单、价格便宜、使用方便、稳定性好、工作寿命长、对气体浓度变化响应快、灵敏度高等优点，所以多用于气体的粗略鉴别和定性分析。按照用途，可分为检测仪、报警仪、自动控制仪器和测试仪器等几种类型。MOS二极管气敏元件——电容--电压特性的变化MOSFET气敏元件——阈值电压的变化肖特基二极管气敏元件——整流特性（1）MOS二极管气敏元件在Р型硅上集成一层二氧化硅(SiO2)层，在氧化层上蒸发一层钯(Pd)金属膜作电极。氧化层(SiO2)电容Ca固定不变，而硅片与SiO2层电容Cs是外加电压的功函数，因此传感器总电容C也是偏压的函数，MOS二极管的等效电容C随偏压U变化。由于金属钯(Pd)对氢气(H2)特别敏感，当Pd电极有氢气吸附时，Pd的功函数下降，使MOS管C-U特性向左平移。利用这一特性可测定氢气的浓度。2.常见气体传感器工作原理2.常见气体传感器工作原理MOSFET气敏元件具有产品一致性好、体积小、质量轻、可靠性高、气体识别能力强的特点，便于大批量生产，与半导体集成电路有较好的工艺相容性。MOSFET气敏器件是利用半导体表面效应制成的一种电压控制型元件，在栅极上蒸镀了一层钯金属。可分为N沟道和Р沟道两种。钯(Pd)-MOSFET管的漏极电流IDS由栅压控制,表示为IDS=β(UDS-UT)2

Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上，引起Pd功函数的降低使阈值电压UT下降，在栅源电压UGS不变时，IDS特性曲线左移。当渗透到钯中的氢气被释放逸散时，阈值电压恢复常态。UT会随空气中所含H2浓度的增高而降低，不仅可以检测H2，而且还能检测氨等能够分解出H2的气体。工作在120℃至150℃左右温度范围内。2.常见气体传感器工作原理肖特基二极管气敏元件当金属和半导体接触，界面会形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。在这种金属半导体二极管附加正偏压时，从半导体流向金属的电子流将增加；如果附加负偏压时，从金属流向半导体的电子流几乎没有变化，这种现象称为二极管的整流作用。当金属与半导体界面处吸附某种气体时，气体将影响半导体的禁带宽度或者金属的功函数，使整流特性发生变化，根据这个原理就可以制作气敏传感器。2.常见气体传感器工作原理Pd-TiO2氢敏器件，当TiO2和Pd界面吸附了还原性气体(如H2)，Pd的功函数减小使肖特基势垒下降。在同样正向偏压条件下，H2气体浓度增大，正向电流增大，输出负载上电压增大，测试电流或电压值就可检测H2气体浓度。实验证明，Pd-TiO2二极管在60℃以下只对氢有响应，所以广泛应用于常温下H2气体检测。空气中H2浓度为由a→g急剧增加，同时，正向偏置条件下的电流也急剧地增大。2.常见气体传感器工作原理接触燃烧式气体传感器一般将在空气中达到一定浓度、触及火种可引起燃烧的气体称为可燃性气体，如甲烷、乙炔、甲醇、乙醇、乙醚、一氧化碳、氢气等。检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)。使用时对铂丝通以电流，保持300～400℃的高温。可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升。使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，寿命较短，实际应用的检测元件都是在铂丝圈外涂覆一层氧化物触媒（氧化铝或氧化铝和氧化硅）。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.常见气体传感器工作原理接触燃烧式气体传感器测量铂丝的电阻值变化，可知可燃性气体的浓度。也可将元件接入电桥电路中的一个桥臂，调节桥路使其平衡。当可燃性气体与传感器表面接触，燃烧热进一步使金属丝升温，造成器件阻值增大，从而破坏了电桥的平衡。其输出的不平衡电流或电压与可燃烧气体浓度成比例，检测出这种电流或电压就可测得可燃性气体的浓度。空气中可燃性气体浓度越大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)越多，铂丝的温度变化(增高)越大，其电阻值增加的就越多。接触燃烧式气体传感器主要用于坑内沼气、化工厂的可燃气体量的探测。不适于检测像一氧化碳这样的有毒气体。优点是气体选择性好，线性好，受温度、湿度影响小，响应快，廉价，精度高。缺点是对低浓度可燃性气体灵敏度低，敏感元件受到催化剂侵害后其特性锐减，金属丝易断。2.常见气体传感器工作原理是基于化学溶剂与气体的反应产生电流、颜色、电导率的变化来工作的一种气敏传感器特性气体选择性好但不能重复使用检测一氧化碳、氢气、甲烷、乙醇等传感器类型离子电极型加伐尼电池型定位电解型热传导式……（4）电化学气敏传感器2.常见气体传感器工作原理电化学一氧化碳传感器结构示意图

电化学气敏传感器一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流,也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。（4）电化学气敏传感器2.常见气体传感器工作原理在电解液中达到如下化学平衡(以被测气体CO2为例):CO2+H2O=H++HCO3-

电解液固定参考电极pH电极外界质量守恒法则：HCO3-的浓度一定与在设定范围内的H+浓度和CO2分压成比例,根据pH值就能知道CO2的浓度CO2

、NH3、SO2……透气隔膜（4）电化学气敏传感器——①离子电极型气敏传感器2.常见气体传感器工作原理外界OHˉPb(OH)2流过外电路的电流和透过聚四氟乙烯膜的氧的速度成比例阴极上氧分压几乎为零氧透过的速度和外部的氧分压成比例

聚四氟乙烯隔膜（4）电化学气敏传感器——②加伐尼电池式气敏传感器电解液铅电极

白金电极

I+（4）电化学气敏传感器——③定位电解法气敏传感器2.常见气体传感器工作原理在敏感电极与辅助电极之间加一定电压后，

使气体发生电解，如果改变所加电压，氧化还原反应选择性地进行，就可以定量检测。03待测气体分子通过透气膜到达敏感电极表面时，在多孔型贵金属催化作用下，发生电化学反应(氧化反应)，同时辅助电极上氧气发生还原反应。01这种反应产生的电流大小受扩散过程的控制，而扩散过程与待测气体浓度有关，只要测量敏感电极上产生的扩散电流，就可以确定待测气体的浓度。022.常见气体传感器工作原理（4）电化学气敏传感器——④热传导式气敏传感器氢气传感器|氦气传感器|SF6传感器它主要是通过将待测气体导热系数的差异转化为热敏元件电阻的变化来实现分析被测气体的浓度大小。将待测气体送入气室，热敏元件加热到一定温度，当待检测气体的热导率高时，热量将更容易从热敏元件中消散，并且其电阻将减小，电阻值的变化容易精确测量甲烷、氢气、乙炔、氦气、光气、氩气、笑气等气体。6.2湿敏传感器湿敏传感器也称为湿度传感器，由湿敏元件和转换电路等组成，能感受被测环境湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度值转换成电信号。湿敏元件转换电路潮湿环境下湿度传感器电信号湿度物理、化学变化1.湿敏传感器特性参数湿度量程感湿特性灵敏度温度系数响应时间湿滞回差有互换性稳定性好响应时间短耐污染受温度影响小寿命长集成化廉价微型化1.湿敏传感器的特性参数湿度量程湿度敏感器件的湿度量程是指湿度传感器能够较精确测量的环境湿度的最大范围。不同的生产或生活条件要求湿度敏感器件在不同的相对湿度范围内工作。木材的干燥系统中，湿度敏感器件工作的湿度范围主要在(0～40%)RH；室内的空气调节系统中，湿度敏感器件工作的湿度范围主要在(40%～70%)RH。由于敏感材料不同，出现不同的物理效应或化学反应，导致某些敏感元件只能在一个特定的范围内进行测量，超出这个范围的话，测量精度会大幅下降。目前世界上最高水平湿度测量精度在±0.01%左右，理想测湿量程应是0~100%RH全量程，量程越大，其实际使用价值越大。1.湿敏传感器的特性参数感湿特性湿敏元件的感湿特征量（如电阻、电容、电压、频率等）随环境相对湿度(或绝对湿度)变化的关系曲线，称为器件的感湿曲线。一般每一种感湿元件都会有自己的感湿特性曲线，从感湿特性曲线可以确定器件的最佳适用范围及灵敏度，性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线应当在整个相对湿度范围内连续变化。斜率过小则曲线平坦，灵敏度降低；斜率过大则曲线太陡，测量范围减小，测量困难。1.湿敏传感器的特性参数灵敏度即湿敏元件感湿特征量相对于环境湿度变化的程度，在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。在器件感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来是可行的。常用不同环境下的感湿特征量之比来表示。日本生产的MgCr204-TiO2湿敏传感器的灵敏

度是用一组湿敏器件的电阻比。1.湿敏传感器的特性参数4.感湿温度系数在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。在不同环境温度下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，它直接给测量带来误差，因此在高精度测湿系统中一定要考虑温度系数问题。∆T——温度25℃与另一规定环境温度之差；H1——温度25℃时湿度传感器的电阻值(或电容值)对应的相对湿度值；

H2——另一规定环境温度下湿度传感器的电阻值(或电容值)对应的相对湿度。1.湿敏传感器的特性参数

响应时间指在规定的温度环境下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的63％所需时间，也称时间常数。反映相对湿度发生变化时，反应速度的快慢。单位是s。大多数湿度传感器脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为响应时间。K2O-Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线1.湿敏传感器的特性参数湿滞回线和湿滞回差各湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线各不相同，这种特性称之为湿滞特性；一般将吸湿和脱湿特性曲线所构成的回线称为湿滞回线，在湿滞回线上所表示的最大差值为湿滞回差，1.湿敏传感器的特性参数7）电压特性加直流电会引起感湿体内水分子的电解，使电导率随时间的增加而下降，用湿度传感器测量湿度时，不能用直流电压，采用交流电压。测试电压小于5V时，电压对阻—湿特性没有影响。交流电压大于15V时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻—湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于10V。LgR/Ω0123456578420℃100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系1.湿敏传感器的特性参数电阻－频率特性20℃5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/Ω8.频率特性

湿度传感器的阻值与外加电压频率的关系。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值降。图中当电压频率小于103Hz时，阻值不随使用频率而变化，所以使用频率的上限为103Hz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。

2.湿度传感器的工作原理输出信号电阻型电容型频率型材料陶瓷型

有机高分子型半导体型电解质型探测功能绝对湿度型相对湿度型结露型多功能型工作机理水分子亲和力型非水分子亲和力型2.湿度传感器的工作原理电解质式湿敏元件氯化锂(LiCl)湿敏电阻，利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化在聚碳酸酯基片上制成一对梳状铂金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。氯化锂溶液中，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。若环境相对湿度增加时，溶液将吸收水分，使浓度降低，导电能力下降，因此其电阻率增加。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，导电能力上升，其电阻率下降。2.湿度传感器的工作原理氯化锂浓度不同的湿敏电阻适用于不同的相对湿度范围。图为柱状氯化锂湿敏传感器相对湿度关系曲线。浓度低的氯化锂湿敏传感器对高湿度敏感，浓度高的氯化锂湿敏传感器对低湿度敏感。一般单片湿敏传感器的敏感范围，仅在30%RH左右，为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂含量不同的湿敏传感器组合使用。氯化锂湿敏传感器的优点就是滞后小、检测精度高，几乎不受环境中风速影响；缺点是耐热性差、寿命短，不适合露点测量，性能重复性不好。半导体陶瓷湿敏元件半导体陶瓷湿敏电阻是根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理来检测湿度。制造半导体陶瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的金属氧化物。可分为烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。优点：测湿范围宽，基本上可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，半导体陶瓷湿敏传感器的工作温度可达800℃；响应时间短，多孔陶瓷的表面积大，易于吸湿和脱湿；湿滞小，可高温清洗，灵敏度高，稳定性好等。2.湿度传感器的工作原理2.湿度传感器的工作原理负特性半导体陶瓷湿敏电阻的电阻值随湿度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子

在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，

使半导体表面带负电，相当于表面电势变负。由于水分子吸附使表面电势下降，吸引更多的空穴

到达其表面，有可能使到达表面层的空穴浓度大于

电子浓度，表面层的电阻下降。2.湿度传感器的工作原理正特性湿敏半导瓷的电阻值随湿度增加而升高。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，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，引起总电阻值的明显升高；但由于晶体内部低阻支路仍然存在，阻值升高不明显。2.湿度传感器的工作原理以MgCr2O4为基础材料，加入一定比例的TiO2压制成4mm×4mm×0.5mm的薄片，在1300℃左右烧成，在感湿片两面涂覆氧化钌多孔电极，800℃下烧结。在感湿片外附设有加热清洗线圈。MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器容易吸附水汽，还能抗热冲击，具有体积小，灵敏度高、响应特性好、测量范围宽（可测量0%～100%RH），响应速度快(响应时间可小至几秒)，高温清洗后性能稳定等优点，日前已商品化，并得到广泛应用。2.湿度传感器的工作原理它的气孔率高达25%以上，具有1μm以下的细孔分布，其接触空气的表面积显著增大，所以水汽极易被吸附于表层及其孔隙之中，使其电阻率下降。多孔陶瓷表面吸收水分的三个阶段图a所示的第一阶段是陶瓷在低湿区域或刚接触水汽；图b所示的第二阶段是进一步吸收水分子或中等湿度环境；图c所示的第三阶段大量水汽存在使晶粒界充满水分子。由于多孔陶瓷置于空气中易被灰尘、油烟污染，从而堵塞气孔，使感湿面积下降。如果将湿敏陶瓷加热到400℃以上，就可使污物挥发或烧掉，使陶瓷恢复到初始状态。所以必须定期给加热丝通电。陶瓷湿敏传感器吸湿快(3min左右)，而脱湿慢，产生滞后现象。当吸附的水分子不能全部脱出时，会造成重现性误差及测量误差。每次使用前应先加热1min左右，使其脱湿，待其冷却至室温后，方可进行测量。陶瓷湿敏传感器的误差较大，稳定性也较差，使用时还应考虑温度补偿。湿敏陶瓷应采用交流供电(如50Hz)。若长期采用直流供电，会使湿敏材料极化，吸附的水分子电离，导致灵敏度降低，性能变坏。2.湿度传感器的工作原理涂覆膜型Fe3O4湿敏器件在陶瓷基片上先制作钯金梳状电极，然后采用丝网印刷等工艺，将调制好的金属氧化物糊状物印刷在陶瓷基片上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。工艺简单，反应灵敏，响应时间小于1min。整体电阻很高，具有负感湿特性。当空气的相对湿度增大时，感湿膜吸湿，由于水分的附着扩大了颗粒间的接触面，降低了颗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，感湿膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。2.湿度传感器的工作原理2.湿度传感器的工作原理精度高滞后小可靠性高响应速度快计测简单制造容易……特点按工作原理可分为电阻式

电阻明显变化电容式

介电常数改变结露式

电阻突变3.高分子化合物湿敏元件使用高分子固体电解质材料作为感湿膜，由于膜中存在可动离子而产生导电性。随着湿度的增大，其电离作用增强，使可动离子的浓度增大，电极间的阻值减小。当湿度减小时，电离作用也相应减弱，可动离子的浓度也减小，电极间的电阻值增大。高分子感湿膜可使用的材料很多，如高氧酸锂-聚氯乙烯、有亲水性基的有机硅氧烷以及四乙基硅烷的等离子共聚膜等。聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构引线端感湿膜梳状电极基片（3）高分子化合物湿敏元件——①电阻式湿度传感器2.湿度传感器的工作原理2.湿度传感器的工作原理高分子化合物湿敏元件——②电容式湿度传感器利用高分子材料吸水后，其介电常数发生变化的特性进行工作的；在绝缘衬底上制作一对平板金(Au)电极，然后在

上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜作为电介质，

在表层以镀膜的方法制作多孔浮置电极(Au膜电极)，

形成串联电容。高分子介质的介电常数(3~6)水的介电常数(81）水分子可以通过两端的电极被薄膜吸附或释放高分子薄膜吸附水分后,使总电容发生变化

结构示意图1-微晶玻璃衬底；2-下电极；3-敏感膜；

4-多孔浮置电极；5-引线（3）高分子化合物湿敏元件——②电容式湿度传感器检测范围宽、线性好广泛应用于洗衣机、空调器、录音机、微波炉等

家用电器及工业、农业等方面。高分子电容式湿度传感器的失效模式主要有开路、短路、参数退化和机械损伤等。电容式湿度传感器测量湿度相当缓慢，因为介电层吸收水分子需要时间。利用现代MEMS技术,通过缩小传感电容器的尺寸和增加介质材料的暴露面积,可以显著提高测量速度。防止冷凝的加热元件使响应速度提高了大约10倍。2.湿度传感器的工作原理2.湿度传感器的工作原理特殊：对低湿度不敏感，仅对高湿度敏感。结露传感器作为提供开关信号的结露信号器，用于自动控制或报警，如用于检测录像机、照相机结露及小汽车玻璃窗除露等。高分子化合物湿敏元件——结露传感器特点:响应时间短,体积较小,对高湿快速敏感；不受灰尘和其他气体对其表面污染的影响；长期稳定性好,可靠性高,且不需加热,能在直流电压下工作。电阻型结露传感器在陶瓷基片上制作梳状电极,并在其上涂一层电阻式感湿膜。感湿膜采用掺入碳粉的有机高分子材料,在高湿下,电阻式感湿膜吸湿后膨胀,体积增加,碳粉间距变大,引起电阻突变,而在低湿下,电阻因电阻式感湿膜的收缩而变小。感湿特性曲线所示,在75%~80%RH以下时,曲线很平坦,而在超过75%~80%RH时,曲线陡升。可制成具有开关特性的湿度传感器。图7-16结露传感器的特性曲线2.湿度传感器的工作原理6.3声敏传感器1.电阻变换型声敏传感器1.电阻变换型声敏传感器阻抗变换型声敏传感器是由电阻丝应变片或半导体应变片粘贴在感应声压作用的膜片上构成的。当声压作用在膜片上时，膜片产生形变使应变片的阻抗发生变化，检测电路会输出电压信号从而完成声—电的转换。接触式阻抗型声敏传感器通过直接接触声波，将振动转变为电阻阻值的变化来进行检测。典型实例是碳粒式送话器，当声波经空气传播至膜片时，膜片产生振动，在膜片和电极之间碳粒的接触电阻发生变化，从而调制通过送话器的电流，该电流经变压器耦合至放大器放大后输出。2.静电变换型声敏传感器（1）压电型利用压电晶体的压电效应可制成压电声敏传感器其结构如图所示，其中压电晶体的一个极面与膜片相连接。当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，使得压电晶体产生随声压大小变化而变化的电压，从而完成声—电的转换。这种传感器用在空气中测量声音时称为话筒，大多限制在可听频带范围（20Hz～20KHz）高频响应范围不够宽，容易受温度影响优点是体积小、结实可靠。1.电阻变换型声敏传感器压电水听器水听器广泛用于水中通信、探测，目标定位、跟踪以及海洋环境监测、资源开发等声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。分为：压电陶瓷声压水听器、PVDF声压水听器和压电复合材料声压水听器等。商业化的水听器频率范围覆盖0.01Hz到35MHz以上。图为水听器的头部断面，其中压电片用压电陶瓷元件，常用半径方向上被极化了的薄壁圆筒形振子由于使用于海中等特殊环境，要求水听器必须有坚固的水密结构和耐压性，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。1.电阻变换型声敏传感器2.常见声敏传感器2、静电变换型声敏传感器(2)电容式体积小、重量轻、灵敏度高动态范围较宽、频率特性平坦，录音细节丰富，还原度高，性能优良分为三大类：大振膜、小振膜、驻极体。膜片为质轻弹性好的电极，与固定电极组成一个间距很小的可变电容器膜片在声波作用下振动导致固定电极间距离发生变化并引起电容量的变化如果在传感器的两极间串接负载电阻RL和直流电流极化电压E，在电容量随声波的振动变化时，RL的两端就会产生交变电压2.常见声敏传感器2、静电变换型声敏传感器(2)驻极体话筒体积小、重量轻、结构简单频率范围宽、灵敏度高、耐振动、成本低应用于各种传声、声控和通信设备：

无线话筒、盒式录音机、声控电灯开关、电话机、手机、多媒体电脑等。以聚酯、聚碳酸酯或氟化乙烯树脂薄膜为基片，蒸发一层纯金属薄膜，再经过高压电场“驻极”处理，在两面形成可长期保持的异性电荷，因此称为驻极体。振动膜片的金属薄膜面向外(正对音孔)，并与话筒金属外壳相连，另一面靠近带有气孔的金属极板（称为背电极），其间用很薄的塑料绝缘垫圈隔开，构成一个平板电容器它不能直接与放大电路相连接，通常用一个场效应管和一个二极管复合组成专用的FET阻抗变换器，变换后输出阻抗小于2K，多用于电视讲话节目方面。

驻极式话筒实际电容量很小（一般几十皮法），输出电信号极为微小，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。驻极体电容式声敏传感器声波驻极体薄膜振动电容器两极板之间的距离变化电容量发生变化∵驻极体的电荷数始终保持恒定∴引起电容器两端电压的变化，输出电信号实现声—电的变换。Q=CU，当Q不变时，C变化时，U变化2.常见声敏传感器2.常见声敏传感器金属极板与专用场效应管的栅极G相接，场效应管的源极S和漏极D作为话筒的引出电极，加上金属外壳，有3个引出电极。R是场效应管的负载电阻，关系到话筒的直流偏置，对话筒的灵敏度等工作参数有较大的影响，一般在2.2~5.1K间选用。图(a)为两端式，漏极D与电源正极间接一漏极电阻R，信号由漏极D经电容C输出，此电路有电压增益，因而话筒灵敏度比较高，但电路动态范围略小。图(b)为三端式，漏极D接电源正极，源极S与地之间接一电阻R来提供源极电压，信号由源极经电容C输出；源极输出的电路比较稳定、动态范围大，但输出信号比漏极输出小。

图(a)图(b)2.常见声敏传感器驻极体话筒必须保证内置场效应管工作在合适的外加直流电压下。工作电压为1.5～12V之间，有1.5V、3V、4.5V三种；工作电流为0.1～1mA。话筒在一定的外部声压作用下所能产生音频信号电压的大小称为灵敏度灵敏度越高，输出的音频信号幅度也越大。一般驻极体话筒0.5～10mV/Pa。国产的分为4挡，红点(灵敏度最高)、黄点、蓝点、白点(灵敏度最低)。话筒的灵敏度随声音频率变化而变化的特性称为频率响应。当声音频率超出厂家给出的上、下限频率时，话筒的灵敏度会明显下降。普通的100Hz~10kHz，质量较好的40Hz~15kHz，优质可达20Hz~20kHz。

2.常见声敏传感器3.电磁变换型声敏传感器