1、项目九,气、湿敏传感器,一、项目要求,【知识要求】1.了解气敏传感器的原理及应用范围。2.了解气敏传感器的分类及工作特点。3.通过与传统的气体检测传感器的比较，掌握气敏电阻的优越性。4.了解湿敏传感器的原理及应用范围。5.了解湿敏传感器的分类及工作特点。6.了解气、湿敏传感器的发展方向。重点：气敏电阻传感器的工作原理，湿敏电阻传感器的原理与应用。,一、项目要求,【能力要求】1.正确地识别各种气、湿敏传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。2.在设计中，能够根据工作系统的特点，找出合适的传感器。3.能够准确地判断出传感器的好坏。4.能够设计一个简单的测量电路。,二、相关知识,（一） 半导体气敏
2、传感器,半导体气敏元件分类,二、相关知识,1.电阻型半导体气敏材料的导电机理,N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,二、相关知识,2.电阻型半导体气敏传感器的结构气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。气敏元件从制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类。它们的典型结构如图所示。,半导体传感器的器件结构,二、相关知识,直热式结构如图(a)、(b)所示。旁热式是将加热丝和敏感元件同时置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂上SnO2等材料，其结构如图(c)、(d)所示。,气敏器件结构与符号,二、相关知识,式中，n与气体检测灵敏度有关，除了随材料和气体种类不同而变化外，
3、还会由于测量温度和添加剂的不同而发生大幅度变化；m为气体的分离度，随气体浓度变化而变化。对可燃性气体，在气敏材料SnO2中添加铂(Pt)或钯(Pd)等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作温度都将影响元件的选择性。,二、相关知识,添加ThO2的SnO2气敏元件在不同浓度CO气体中的灵敏度特性,二、相关知识,SnO2气敏元件易受环境温度和湿度的影响，图给出了SnO2气敏元件受环境温度、湿度影响的综合特性曲线。由于环境温度、湿度对其特性有影响，所以使用时，通常需要加温度补偿。,ZnO系气敏元件的灵敏度特性,二、相关知识,(2) ZnO系ZnO系气敏元
4、件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度比SnO2系气敏元件高100 左右，因此不及SnO2系元件应用普遍。同样如此，要提高ZnO系元件对气体的选择性，也需要添加Pt和Pd等添加剂。,ZnO系气敏元件的灵敏度特性,二、相关知识,4.非电阻型气敏器件(1) MOS二极管气敏器件MOS二极管气敏器件是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100 nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图(a)所示。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容Cj是外加电压的函数,其等效电路如图(b)所示。,由等效电路可知，总电容C也是栅偏压
5、的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C-V特性。由于钯元素对氢气(H2)特别敏感，当钯元素吸附了H2以后，会使钯元素的功函数降低，导致MOS管的C-V特性向负偏压方向平移，如图(c)所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。,MOS二极管结构和等效电路,二、相关知识,(2) 钯-MOS场效应晶体管气敏器件钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构与普通MOS-FET结构，参见图。从图可知，它们的主要区别在于栅极G。Pd-MOSFET的栅电极材料是钯(Pd),而普通MOSFET的栅电极材料为铝(Al)。因为Pd对H2有很强的吸附性，当H2吸附在Pd栅极上，引起Pd的功函数降低。由MO
6、SFET工作原理可知，当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压VGS，且VGSVT(阈值电压)时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。,这个N型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N型沟道。此时，MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)极和漏(D)极之间加电压VDS，则源极和漏极之间有电流流通(IDS)。IDS随VDS 和VGS的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的V-A特性。当VGSVT时，MOSFET的沟道未形成，故无漏源电流。VT的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与金属和半导体之间的功函数有关。,Pd-MOSFET和普通MOSFET结构S源极；G栅极；D漏极,二、相关知识
7、,(2) 半导体陶瓷湿敏元件,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，由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降甚多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达表面层，尽可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。,二、相关知识,正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负
8、特性材料有所不同。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，但是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的下降而加大。这一类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒体内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过，通用瓷敏半导体材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高；但是由于晶体内部低阻支路的存在，正特性半导瓷的总电阻的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。,二、相关知识,（3）膜型湿敏元件导电机理膜型湿敏元
9、件是用金属氧化物粉末或某些金属氧化物烧结体研成粉末，通过某种方式的调试后，喷洒或涂敷在具有叉指电极的陶瓷基片上而制成的。使用这种工艺做成的湿敏元件的阻值随湿度变化非常剧烈。其原因是由于粉末间较松散，接触电阻大，而且粉粒间有较大的空隙，这就便于水分的吸附。对于那些极性、离散力较强的水分子的吸附，特使粉粒接触程度增加，因而使接触电阻显著降低。当环境湿度越大时，附着的水分子越多，接触电阻就越低。实验证明，无论是用负特性型还是用正特性型湿敏瓷粉作其原料，只要是粉粒堆集型的湿敏元件，其阻值总是随环境湿度的增高而急剧下降。即这种结构的湿敏元件均属于负特性型的。,二、相关知识,MgCr2O4TiO2湿敏元件
10、氧化镁复合氧化物二氧化钛（MgCr2O4TiO2）湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿电” 转换器件，它是负特性半导瓷。MgCr2O4为P型半导体。它的电阻率较低，阻值温度特性好。,SM1型湿敏器件结构,二、相关知识,ZnOCr2O3陶瓷湿敏元件ZnOCr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上Pt引线，然后待敏感元件装入有网眼过滤器的方形塑料盒中用树脂固定，就形成了ZnOCr2O3陶瓷湿度传感器。其结构如图所示。,ZnO-Cr2O3陶瓷湿度传感器结构,二、相关知识,膜型四氧化三铁(Fe3O4)湿敏器件Fe3O4湿敏器件的主要优点是：在常温、常湿下性能比较稳定，有较
11、强的抗结露能力，它有较为一致的湿敏特性和较好的温度湿度特性。下图分别为国产MCS型Fe3O4湿敏器件的电阻湿度特性和温度湿度特性曲线。,MCS的电阻-湿度特性,MCS的温度-湿度特性,二、相关知识,膜型Fe2O3湿敏元件在 Fe2O3中添加13%K2CO3后，在1300 中焙烧，将烧结块粉碎成粒径小于1m的粉末加入有机黏合剂，调成糊状，然后，印刷在有梳状电极的基片上，经加热烘干便成湿敏元件。Fe2O3湿敏元件在低湿高温条件下具有很稳定的湿敏特性。 除此之外，将Cr2O3、Mn2O3、Al2O3、ZnO、TiO2按上述方法制成膜型元件都有较好的感湿能力。,二、相关知识,高分子电容式湿敏器件是利用
12、湿敏器件的电容值随湿度变化的原理进行测量的。具有感湿的高分子聚合物，薄膜覆盖在叉指形金电极(下电极)上，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，如此结构就构成了一个平行板电容器，如图(a)所示。,（3）高分子湿敏器件电容式湿敏器件,当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系，线性度约为1%，如图(b)所示。,高分子电容式湿敏元件,二、相关知识,石英振动式湿敏元件在石英晶片的表面涂敷聚胺酯高分子膜，当膜吸湿时，出于膜的重量变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率代表不同程度的湿度。这种湿敏器件在050 ，器件检测范围是0%
13、RH100%RH，误差为5%RH。除上述介绍的传感器之外。还有早已使用的毛发湿度计、干湿球湿度计等也属于水分子亲和力型湿敏元件。,二、相关知识,2.非水分子亲和力型湿敏传感器水分子亲和力型湿敏传感器，因为响应速度低、可靠性较差，不能很好地满足人们的需要。随着其他技术的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿敏传感器。例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波湿敏传感器。又如，利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿敏传感器等。它们都能克服水分子亲和力型湿敏传感器的缺点。因此，开发非水分子亲和力型湿敏传感器是湿敏传感器重要的研究方向。关于这方面
14、的内容请参阅有关资料，本节不赘述。,三、项目实施,（一）实施要求（1）通过本项目的实施，在掌握气、湿敏传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握气、湿敏传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。（2）该项目需要气、湿敏传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。,（二）实施步骤（1）找出气、湿敏传感器在电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，并观察工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同的状态下的数据。,三、
15、项目实施,四、拓展知识,（一）SnO2气敏传感器的应用,四、拓展知识,（二）便携式缺氧监视器在地下隧道、仓库、矿井工作的工人最关心的是他们工作环境是否有足够的氧气，因为这些地方的氧气浓度往往较低。为了防止缺氧，必须对这些场所的氧气浓度进行监测。测氧传感器是一种伽伐尼电池式传感器。,便携式缺氧监测电路,四、拓展知识,（三）自动去湿器,图中R6为加热电阻丝，将其埋入挡风玻璃内。如图(a)所示。H为结露湿敏元件，图(b)为其控制电路。晶体管BGl、BG 2为施密特触发电路，BG2的集电极负载为继电器J的线圈绕组。R1、R2为BGl的基极电阻，RP为湿敏元件H的等效电阻。在不结露时，调整各电阻值，使B
16、Gl导通，BG2截止。一旦湿度增大，湿敏元件H的等效电阻RP值下降到某一特定位，R2RP减小，使BG1截止，BG2导通，BG2集电极负载继电器J线圈通电，它的常开触点接通加热电源Ec，并且指示灯点亮，电阻丝R5通电，挡风玻璃被加热，驱散湿气。当湿气减少到一定程度时,RPR2回到不结露时的阻值，BG1和BG2恢复初始状态，指示灯熄灭，电阻丝断电，停止加热，从而实现了自动去湿控制。,五、项目实训,（一）气敏传感器实验1.实验目的了解气敏传感器原理及应用。2.实验仪器气敏传感器、酒精、棉球（自备）、差动变压器实验模块3.实验原理本实验所采用的SnO2半导体气敏传感器属电阻型气敏元件，它是利用气体在半
17、导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。若气体浓度发生变化，则阻值发生变化，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。,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板的传感器固定在支架上。（2）按图接线，将气敏传感器接线端的红色线接5V加热电压，黑色线接地；电压输出选择10V，黄色线接+10V电压，蓝色线接RW1上端。,气敏传感器实训电路,五、项目实训,（3）将15 V直流稳压电源接入差动变压器实验模块中。差动变压器实验模块的输出Uo接主控台直流电压表。打开主控台总电源，预热5 min。（4）用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹气两次，使酒精挥
18、发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化。5.实验报告酒精检测报警，常用于交通警检查是否酒后驾车，若需要这样一种传感器还须考虑哪些环节与因素？,五、项目实训,（二）湿敏传感器实验1.实验目的了解湿敏传感器的原理及应用范围。2.实验仪器湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球（自备）。,五、项目实训,湿度是指大气中水分的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示，湿度是指单位体积中所含水蒸气的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，用符号%RH表示。湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。实验中多用相对湿度概念。湿敏传感器种类较多，
19、根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验所采用的属于水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。,3.实验原理,高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物，例如，乙酸丁酸纤维素和乙酸丙酸纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力，感湿薄膜覆在金箔电极（下电极）上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜（上电极），这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）湿敏传感器实验装置如图所示，红色线接+5 V电源，黑色线接地，蓝色线和黑色线分别接频率/转速表输入端和地。频率/转速表选择频率挡。记下此时频率/转速表的读数。（2）将湿棉球放入湿敏腔内。并插上湿敏传感器探头，观察频率/转速表的变化。,湿敏传感器实验装置,五、项目实训,（3）取出湿纱布，待数显表示值下降回复到原示值时，在干湿腔内被放入部分干燥剂，同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上，观察数显表读数变化。5.实验报告输出频率f与相对湿度RH值对应，参考表，计算以上三种状态下空气相对湿度。,本章结束,
