1、第5章 气敏传感器 第6章 湿敏传感器 第5/6章传感器的应用,半导体传感器,返回主目录,第5章 气 敏 传 感 器, 用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天然气、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, 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。 一、 气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物, 在合成材料时, 通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成, 金属氧化物半导体分N型半导体, 如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体, 如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度, 合成材料有时还
2、渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。,金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。 该类气敏元件通常工作在高温状态（200450）, 目的是为了加速上述的氧化还原反应。 ,例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气体后,
3、其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100300范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。 氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图9 - 1（b）所示。 由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图9 - 2所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对电极。,气敏元件的基本测量电路, 如图9 - 1（a）所示, 图中EH为加热电源, EC为测量电源, 电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化, 输出电压
4、（信号电压）由电阻Ro上取出。 特别在低浓度下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。 因此, 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。 二、 气敏传感器的应用 气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。 （1） 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中, 经加热成型后低温烧结而成。 目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200300, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。 ,（2） 薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法, 在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1
5、 m以下）, 构成薄膜型气敏元件。 氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片, 通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属, 用铂或钯膜作引出电极, 最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体, 当添加铂作催化剂时, 对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度, 而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时, 对H2 、CO有较高的灵敏度, 而对烷烃类气体灵敏度低。因此,这种元件有良好的选择性, 工作温度在400500的较高温度。,（3） 厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（Al2
6、O3）基片上,在400800的温度下烧结12小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好, 机械强度高, 适于批量生产。 以上三种气敏器件都附有加热器, 在实际应用时, 加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉, 同时加速气体氧化还原反应, 从而提高器件的灵敏度和响应速度。 ,传感器的应用,一、 实用酒精测试仪 图9-16 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, 确定被试者是否还适宜驾驶车辆。 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A5脚的电平为低电平; 当气体传感器探测到酒精时, 其内阻变低,
7、从而使A5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5个发光二极管为红色, 表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色, 代表安全水平, 酒精含量不超过0.05%。,二、有害气体鉴别器,三、可燃气体浓度检测电路,四、矿灯瓦斯报警器电路,实用瓦斯报警器,当无瓦斯气体时，A、B间电阻值很大，Uc0.7V，NE555的4脚被强行复位，振荡器不工作。当瓦斯气体达一定浓度时，A、B间电阻迅速减小，NE555的4脚变为高电平，振荡器电路起振，扬声器发出报警声。
8、调节Rp可使报警器适应不同气体，不同浓度环境条件下的报警。,五、酒精检测报警控制器电路,六、烟雾报警电路（HQ-2）,初始状态：IC1输出低电平，T2截止，IC2输出高电平，T1导通；当有烟雾时，RAB减小 RP触点电位增大 IC1输出高电平，T2导通，J动作，有报警信号输出；IC1输出高电平为C2充电，达一定值，使IC2输出低电平，T1截止，报警信号无输出；T1截止后，C2通过R3 R7 T2放电，放到一定值，IC2又输出高电平，又有报警信号；如此反复，就可得到间歇的报警信号。,第6章 湿 度 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。 绝对湿度是指单
9、位空间中所含水蒸气的绝对含量或者浓度或者密度, 一般用符号AH表示。相对湿度是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比, 一般用符号RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度, 它是一个无量纲的量, 在实际使用中多使用相对湿度这一概念。 下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器。 一、 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。该元件的结构如图9 - 3所示, 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
10、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, 若环境相对湿度高, 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。氯化锂湿敏元件的湿度电阻特性曲线如图9 - 4所示。 由图可知, 在50%80%相对湿度范围内, 电阻与湿度的变化呈线性关系。 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五种元件配合使用, 就可自
11、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%, 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。 二、 半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。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大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷)。,1. 负
12、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。如果该半导瓷是型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降。若该半导瓷为型, 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, 有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。它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献, 由此可见, 不论是型还是型半导瓷, 其电阻率都随湿度的增加而下降。图9 - 5表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。,2. 正特性
13、湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、 电子能量状态与负特性材料有所不同。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。,不过, 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的, 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仍然存在
14、, 正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。图9 - 6给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。 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, 它是负特性半导瓷, MgCr2O4为型半导体, 它的电阻率低, 阻值温度特性好, 结构如图9 - 7所示, 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。,金电极与引出线烧结在一起, 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
15、瓷基片上, 电极引线一般采用铂-铱合金。 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系, 见图9-8所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少, 又随周围环境温度的变化而有所变化。 （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而做成的， 其结构如图9 - 9所示。 ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度, 而无需加热除污装置, 因此功耗低于0.5 , 体积小, 成本低, 是一种常用测湿传感器。,一、 直读式湿度计
16、 图6 - 49 是直读式湿度计电路, 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2501000 Hz。 电桥输出级变压器T2, C3耦合到VT3, 经VT3放大后的信号, 由VD1VD4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。,传感器的应用,图6-49直读式湿度计电路,图6-50湿度检测器电路,二、湿度检测器电路,图6-51高湿度检测报警器电路,三、高湿度检测报警器电路,图6-27 IH3605应用电路,四、单片机温湿度检测电路,五、汽车后窗玻璃自动去湿装置,图6-53汽车后窗玻璃自动去湿装置,六、浴室镜面水汽清除器电路,图6-55 浴室镜面水汽清除器电路,本章习题,P2781，2，3图5-57，5-58，5-59，5-60P3111，2，5,
