《传感器与检测技术》课件 第十二章 化学传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第十二章化学传感器PHOTOCHEMICALSENSOR气体传感器12.1湿度传感器12.2第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.1定义及分类概述气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器，是一种实现气体中的特定成分检测，并将其转化成相应电信号的器件或装置。气体传感器的种类较多，主要包括气体种/气体量传感器、气体成分传感器。气体种类/浓度传感器主要有半导体气体传感器和固体电解质气体传感器，气体成分传感器主要有高频成分传感器和光学成分传感器。第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器1.工作原理电阻型半导体气体传感器是利用气体在半导体表面发生氧化还原反应导致敏感元件电阻值变化的原理制成的。如下图所示，气体电阻式传感器工作时半导体被加热到稳定状态，当气体接触到半导体就会被吸附，被吸附的气体分子首先在半导体表面扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分分子固定在吸附处，与半导体发生氧化还原反应。工作流程解释第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器1.工作原理根据气体与半导体反应的特性，将气体分为两大类，一类为氧化性气体，一类为还原性气体。当气体电阻式传感器遇到氧化型气体（电子接受型气体）时，被吸附分子（气体）从半导体中夺得电子而形成负离子吸附。半导体失去电子，导电能力降低，电阻值增大。常见的氧化型气体是。工作流程解释第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器1.工作原理当气体电阻式传感器遇到还原型气体（电子供给型气体）时，被吸附分子（气体）将向半导体中释放出电子而形成正离子吸附。半导体得到电子，导电能力增强，电阻值减小。常见的还原型气体有、、酒精等。当氧化型气体吸附到型半导体上，半导体载流子减少，电阻值增大；当还原型气体吸附到型半导体上，半导体载流子增多，电阻值下降；型半导体与之相反。工作流程解释第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器1.工作原理下图分别表示了气体接触型半导体和型半导体时所产生的器件阻值变化情况。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，可从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间（响应时间）一般不超过1min。

型材料有、、等，型材料有、等。半导体与气体接触时的氧化还原反应第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器2.结构电阻型传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。按制作工艺，电阻式半导体气敏传感器可分为烧结型、厚膜型和薄膜型三种，如下图所示。图(a)烧结型是以氧化物半导体（如）材料为基体，将电极和加热器埋入金属氧化物中，加热加压成型，再用低温（700℃~900℃）制陶工艺烧结制成，又称为半导体陶瓷。传感器元件的结构示意图第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器2.结构图(b)所示为薄膜型气敏元器件，采用蒸发或溅射方法，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（厚度在100nm以下）。图(c)所示为厚膜型器件，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。传感器元件的结构示意图第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器2.结构按加热方式分为直热型和旁热型。如下图所示，直热型是将加热器与气敏材料直接接触，电极和起加热作用的合金丝漫入气敏氧化物材料中烧结而成。直热式传感器元件结构和符号1、2、3、4：合金丝第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器2.结构旁热式是直接将加热线圈插入绝缘陶瓷管，在其表面涂电极和气体敏感材料制成。如下图所示，管芯结构的测量电路与加热器分离。旁热式传感器元件结构和符号1、2、3、4—电机5、6—加热丝第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.2电阻型半导体气体传感器3.测量电路常用的直流测量电路如下图所示，为负载电阻，为敏感元件两端的电压，可通过负载电阻上电压的变化来确定敏感元件的电阻变化，测量电路包括加热回路和测试回路两部分。电阻型半导体气敏传感器测量电路式中，是敏感元件的电阻；是负载电阻两端的电压输出值。由上式可见，输出电压与气敏元件电阻负相关，当阻值因气体浓度上升降低时将增大。因此可根据上的电压降，即可测得气体浓度变化。第十二章12.1气体传感器1.1.1什么是传感器12.1.3气体传感器的应用概述如下图所示为一种简单、廉价的家用煤气、液化石油气报警器电路。该电路不需要再加复杂的放大电路，就能驱动蜂鸣器来报警。蜂鸣器与气敏传感器的等效电阻构成了简单串联电路，当气敏传感器探测到泄漏气体（如煤气、液化石油气）浓度过大时，气敏传感器的等效电阻降低，蜂鸣器发声报警。家用煤气、液化石油气泄露报警器电路第十二章12.2

湿度传感器1.1.1什么是传感器12.2.1电阻式湿度传感器1.工作原理电阻式湿度传感器是利用电导率和湿度的关系制成的传感器，按结构分可分为高分子电阻式和陶瓷电阻式。高分子电阻式湿度传感器，又可分为电子导电型和离子导电型两类。高分子电子导电型湿度传感器，也称为“涨缩型湿度传感器”。它通过将导电体粉末（金属、石墨等）掺入膨胀吸湿高分子中制成湿敏膜，当湿度发生变化时，石墨发生膨胀或收缩，从而使导电粉末间距变化，电阻则随之改变。第十二章12.2

湿度传感器1.1.1什么是传感器12.2.1电阻式湿度传感器1.工作原理而对于陶瓷电阻式传感器，不论是型还是型半导体陶瓷，当水分子吸附在陶瓷表面上时，能从陶瓷表面俘获电子，使表面电势下降，从而导致电阻率的下降，这类材料就称为负特性湿敏半导体陶瓷，它的阻值随着湿度的增加可以下降三至四个数量级。除了外，金属氧化物半导体均为表现为负湿敏特性。右图所示为几种典型的金属氧化物半导体陶瓷的湿敏特性。金属氧化物半导体陶瓷湿敏特性1—ZnO-Li2O-V2O5系

2—Si-Na2O-V2O3系3—TiO2-MgO-Cr2O3系第十二章12.2

湿度传感器1.1.1什么是传感器12.2.1电阻式湿度传感器2.结构陶瓷电阻式湿度传感器一般以金属氧化物为原料，按适当的摩尔配比，制成多孔陶瓷，主要利用的是多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性。典型产品是烧结型陶瓷湿敏传感器是陶瓷湿敏传感器，如下图所示。半导体陶瓷湿度传感器的结构第十二章12.2

湿度传感器1.1.1什么是传感器12.2.2电容式湿度传感器概述电容式湿度传感器是利用电容电极间介质吸附水蒸气时电容量发生变化而检测湿度的。按照极间介质分为有机高分子和陶瓷材料两大类。高分子电容式湿度传感器结构高分子电容式湿度传感器结构如右图所示：在玻璃基片上蒸发梳状金电极作为下电极；将高分子感湿材料溶于其特定溶剂（如丙酮或乙醇）配成溶液，通过浸渍或涂覆在基片上形成均匀薄膜，再经干燥固化得到感湿层。环境湿度升高时，高分子薄膜吸附水分子使其介电常数增大，导致梳状电容的电容值随之增大；通过检测电容变化即可测得相对湿度。第十二章12.2

湿度传感器1.1.1什么是传感器12.2.2电容式湿度传感器概述氧化铝薄膜湿度传感器结构陶瓷式氧化铝薄膜湿度传感器主要由多孔导电层A，湿敏材料B，绝缘层（高分子绝缘膜）C和导线D组成。如右图所示。该湿度传感器利用多孔的氧化铝薄膜吸收空气中的水蒸气，从而改变其本身的介电常数，导致由氧化铝做电介质构成的电容器的电容值发生变化，测量电容值即可表示空气的相对湿度。第十二章12.2

湿度传感器1.1.1什么是传感器12.2.3湿度传感器的应用概述土壤缺水告知器原理图如下图所示，采用一对金属探板作为土壤湿度传感器，当土壤潮湿时，传感器阻值变小，与电阻形成的分压经整流，送至比较器的同相端，电压低于设定的基准电压，输出电压为低电位；当土壤缺水干燥时，同相端电压高于基准设定电压，输出电压为高电位。

比较器输出电压可对指示报警电路进行控制，从而达到土壤缺水告知的目的。1.1.1什么是传感器习题12-1气体传感器有哪些基本类型？简述他们各自的工作原理？12-2什么是绝对湿度？什么是相对湿度？表示空气湿度的物理量有哪些，怎么表示？12-3气敏元件的电阻值和空气中待测气体浓度的关系可以用经验式子描述为：，