1、第10章 氣濕敏傳感器,10.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器 10.2 半導(dǎo)體濕敏傳感器,以半導(dǎo)體敏感元件為核心的半導(dǎo)體傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、便于集成化和智能化的優(yōu)點(diǎn)，但是由于特性的分散性、溫度不穩(wěn)定性和易受干擾的缺點(diǎn)，在某些情況下又限制了半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用。 本章將介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器、濕敏傳感器,第10章 氣濕敏傳感器,10.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器,氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)組成自動檢測、控

2、制和報(bào)警系統(tǒng)。,第10章 氣濕敏傳感器,氣敏傳感器的性能必須滿足下列條件： (1) 能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準(zhǔn)設(shè)定濃度，并能及時(shí)給出報(bào)警、顯示和控制信號。 (2) 對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。 (3) 性能長期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、動態(tài)特性好、響應(yīng)迅速。 (4) 使用、維護(hù)方便，價(jià)格便宜等。,第10章 氣濕敏傳感器,10.1.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類,半導(dǎo)體氣敏傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感元件制作的氣敏傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣敏傳感器，分類如表10-1所示。 按照半導(dǎo)體變化的物理特征，可分為電阻型和非電阻型兩類。前者是利用敏感元件

3、吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分；后者是利用二極管伏安特性和場效應(yīng)管的閾值電壓變化來檢測被測氣體。,第10章 氣濕敏傳感器,按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，又可分為表面電阻控制型和體電阻控制型。,第10章 氣濕敏傳感器,10.1.2 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器,1. 材料和結(jié)構(gòu) 因?yàn)樵S多金屬氧化物具有氣敏效應(yīng)，這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料，因此稱之為半導(dǎo)體陶瓷，簡稱半導(dǎo)瓷。由于半導(dǎo)瓷與半導(dǎo)體單晶相比具有工藝簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實(shí)用價(jià)值的敏感元件。在諸多的半導(dǎo)體氣敏元件中，用氧

4、化錫(SnO2)制成的元件具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號處理容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。 半導(dǎo)體氣敏傳感器一般由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼。,第10章 氣濕敏傳感器,按其結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型，如圖所示。,第10章 氣濕敏傳感器,圖 (a)所示為燒結(jié)型氣敏元件，它以多孔質(zhì)陶瓷如SnO2為基材，添加不同物質(zhì)采用低溫(700900)制陶方法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)埋入鉑電極和加熱絲，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上制成元件。 圖 (b)所示為薄膜型氣敏元件，是用蒸發(fā)或?yàn)R射方法，在石英或陶瓷基片上形成金屬氧化物薄膜(厚度在100nm以下)，用這種方法制成的敏感膜顆粒很小

5、，因此具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度。,第10章 氣濕敏傳感器,圖c)所示為厚膜型氣敏元件，將氣敏材料(SnO2、ZnO)與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁的基片上，在400800的溫度下燒結(jié)1個(gè)2個(gè)小時(shí)便制成厚膜型氣敏元件。 這些氣敏元件全部附有加熱器，它的作用是使附著在探測部分處的油霧、塵埃等燒掉，同時(shí)加速氣體氧化還原反應(yīng)，從而提高元件的靈敏度和響應(yīng)速度，一般加熱到200400。,第10章 氣濕敏傳感器,2. 工作原理 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附有被測氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸介面的導(dǎo)

6、電電子比例就會發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。,第10章 氣濕敏傳感器,電阻值的變化是伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對氣體的吸附和釋放而產(chǎn)生的，為了加速這種反應(yīng)，通常要用加熱器對氣敏元件加熱. 下面以半導(dǎo)瓷材料SnO2為例，說明表面電阻控制型氣敏傳感器的工作原理。 半導(dǎo)瓷材料SnO2屬于N型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體氣敏傳感器吸附被測氣體時(shí)的電阻變化曲線如圖所示。,第10章 氣濕敏傳感器,第10章 氣濕敏傳感器,從圖中可見，當(dāng)半導(dǎo)體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時(shí)，其阻值急劇下降，阻值發(fā)生變化的時(shí)間(稱響應(yīng)時(shí)間)不到1min，然后上升，經(jīng)2min10min后達(dá)到穩(wěn)定，這段

7、時(shí)間為初始穩(wěn)定時(shí)間，元件只有在達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。 當(dāng)電阻值處于穩(wěn)定值后，會隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其電阻的變化規(guī)律視氣體的性質(zhì)而定，如果被測氣體是氧化性氣體(如O2和NOx)，,第10章 氣濕敏傳感器,被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使N型半導(dǎo)體中載流子電子減少，因而電阻值增大。 如果被測氣體為還原性氣體(如H2、CO、酒精等)，氣體分子向氣敏元件釋放電子，使元件中載流子電子增多，因而電阻值下降。 圖所示為典型氣敏元件的阻值濃度關(guān)系。,第10章 氣濕敏傳感器,第10章 氣濕敏傳感器,10.1.3 氣敏傳感器的應(yīng)用,1.可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器,第10章 氣濕敏傳感器,第1

8、0章 氣濕敏傳感器,電路中，D 為檢測元件，因外觀呈黑褐色，又稱為黑元件，C 為補(bǔ)償元件，因外觀呈白色，又稱為白元件。RC為補(bǔ)償電阻。黑、白元件工作時(shí)裝在防爆氣室中，通過隔爆罩與大氣接觸。而 C、D、RC、R3、R4 組成檢測橋路。運(yùn)算放大器及外圍元件組成電壓比較器。半導(dǎo)體三極管 VT2、VT3、VT4、VT5 與發(fā)光二極管 VD5 及峰鳴器 Y 等組成聲光報(bào)警電路。VT1、VD3 及 R8組成控制開關(guān)電路。,第10章 氣濕敏傳感器,當(dāng)沒有可燃性氣體泄露時(shí)，A 點(diǎn)電位低于 B 點(diǎn)電位，電橋處于相對平衡狀態(tài)，比較器IC1 輸出低電平，使 VT1 截止，此時(shí)發(fā)光二極管 VD5不發(fā)光，蜂鳴器 Y 無

9、報(bào)警聲。當(dāng)有可燃性氣體泄露時(shí)，在 D元件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使D 元件電阻增加，A點(diǎn)電位上升至高于B 電位時(shí)，比較器 IC1 輸出高電平，VT1 導(dǎo)通，打開報(bào)警電路，在 VT2 和 VT3 組成的多諧振蕩器的作用下，發(fā)光二極管 VD5 與蜂鳴器 Y 同步發(fā)出閃光和報(bào)警聲。,10.2 半導(dǎo)體濕敏傳感器,濕敏傳感器是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路等組成，能感受外界濕度(通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為濕度)變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將環(huán)境濕度變換為電信號的裝置。,第10章 氣濕敏傳感器,10.2.1 概述,1. 濕度表示法 所謂濕度，就是空氣中所含有水蒸氣的量，表明大氣的干、濕程度，常用絕

10、對濕度和相對濕度表示。 1) 絕對濕度(Absolute Humidity) 絕對濕度是在一定的溫度及壓力下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，一般用符號AH表示，其定義為,第10章 氣濕敏傳感器,第10章 氣濕敏傳感器,mv 為待測空氣中的水汽含量；V 為待測空氣的總體積。 AH 的單位為 g/m3或 mg/m3。,2) 相對濕度(Relative Humidity) 相對濕度是指被測氣體中的水蒸氣氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比。相對濕度給出大氣的潮濕程度，因此，它是一個(gè)無量綱的值，一般用符號%RH表示，其表達(dá)式為,第10章 氣濕敏傳感器,2. 濕敏傳感器的分類 按元件輸

11、出的電學(xué)量分類可分為：電阻式、電容式、頻率式等。 按其探測功能可分為：相對濕度、絕對濕度、結(jié)露和多功能式四種 按材料則可分為：陶瓷式、有機(jī)高分子式、半導(dǎo)體式、電解質(zhì)式等。,第10章 氣濕敏傳感器,另外，根據(jù)與水分子親和力是否有關(guān)，可以將濕敏傳感器分為水親和力型濕敏傳感器和非水親和力型濕敏傳感器。水分子易于吸附在物體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性稱為水分子親和力，水分子附著或浸入濕敏功能材料后，不僅是物理吸附，而且還有化學(xué)吸附，其結(jié)果使功能材料的電性能產(chǎn)生變化，如LiCl、ZnO材料的阻抗發(fā)生變化。因此，這些材料就可以制成濕敏元件，另外利用某些材料與水分子接觸的物理效應(yīng)也可以測量濕度。因此，這兩

12、大類濕敏傳感器可細(xì)分為表10-2所示的各種濕敏傳感器。,第10章 氣濕敏傳感器,表10-2 濕敏傳感器分類,第10章 氣濕敏傳感器,10.2.2 濕敏電阻的類型及原理,1. 氯化鋰濕敏電阻 氯化鋰濕敏電阻是典型的電解質(zhì)濕敏元件，利用吸濕性鹽類潮解，離子電導(dǎo)率發(fā)生變化而制成的測濕元件。典型的氯化鋰濕敏傳感器有登莫式和浸漬式兩種，如圖所示。,第10章 氣濕敏傳感器,登莫式傳感器結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示，A為涂有聚苯乙烯薄膜的圓管，B為用聚苯乙烯醋酸覆蓋在A上的鈀絲。登莫式傳感器是用兩根鈀絲作為電極，按相等間距平行繞在聚苯乙烯圓管上，再浸涂一層含有聚苯乙烯醋酸脂(PVAC)和氯化鋰(LiCl)水溶液的混

13、合液，當(dāng)被涂溶液的溶劑揮發(fā)干后，即凝聚成一層可隨環(huán)境濕度變化的感濕均勻薄膜。 浸漬式傳感器結(jié)構(gòu)如圖 (b)所示，由引線、基片、感濕層與金屬電極組成。它是在基片材料上直接浸漬氯化鋰溶液構(gòu)成的，這類傳感器的浸漬基片材料為天然樹皮。浸漬式傳感器結(jié)構(gòu)與登莫式傳感器不同，部分地避免了高溫下所產(chǎn)生的濕敏膜的誤差。由于它采用了面積大的基片材料，并直接在基片材料上浸漬氯化鋰溶液，因此具有小型化的特點(diǎn)，適用于微小空間的濕度檢測。,第10章 氣濕敏傳感器,氯化鋰濃度不同的濕敏傳感器，適用于不同的相對濕度范圍。濃度低的氯化鋰濕敏傳感器對高濕度敏感，濃度高的氯化鋰濕敏傳感器對低濕度敏感。一般單片濕敏傳感器的敏感范圍，

14、僅在30%RH左右，為了擴(kuò)大濕度測量的線性范圍，可以將多個(gè)氯化鋰含量不同的濕敏傳感器組合使用，如將測量范圍分別為(10%20%)RH、(20%40%)RH、(40%70%)RH、(70%90%)RH、(80%99%)RH五種元件配合使用，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)濕度范圍的濕度測量。,第10章 氣濕敏傳感器,2. 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻是一種電阻型的傳感器，根據(jù)微粒堆集體或多孔狀陶瓷體的感濕材料吸附水分可使電導(dǎo)率改變這一原理檢測濕度。,第10章 氣濕敏傳感器,制造半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類型的金屬氧化物。這些材料有MgCr2O4（尖晶石）TiO2（二氧化鈦）系、Fe3O4系等。有

15、些半導(dǎo)體陶瓷材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，還有一類半導(dǎo)體陶瓷材料的電阻率隨濕度增大而增大，稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻按其結(jié)構(gòu)可以分為燒結(jié)型和涂覆膜型兩大類。,第10章 氣濕敏傳感器,1) 燒結(jié)型濕敏電阻,燒結(jié)型濕敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。其感濕體為MgCr2O4TiO2系多孔陶瓷，利用它制得的濕敏元件，具有使用范圍寬、濕度溫度系數(shù)小、響應(yīng)時(shí)間短，對其進(jìn)行多次加熱清洗之后性能仍較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。,第10章 氣濕敏傳感器,第10章 氣濕敏傳感器,圖中 1、4 為加熱器的引出線。陶瓷濕敏體和加熱絲固定在 Al2O3 陶瓷基座上，為了避免底座上測量電極 2、3 之

16、間因吸濕和沾污而引起漏電，在測量電極 2、3 的周圍設(shè)置了隔漏環(huán)。,2) 涂覆膜型Fe3O4濕敏器件 除了燒結(jié)型陶瓷外，還有一種由金屬氧化物通過堆積、黏結(jié)或直接在氧化金屬基片上形成感濕膜，稱為涂覆膜型濕敏器件。其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕敏器件。 Fe3O4濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成，采用滑石瓷作為基片材料，該材料吸水率低，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)物理性能穩(wěn)定。在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印制成梳狀金電極，將純,第10章 氣濕敏傳感器,凈的膠粒用水調(diào)制成適當(dāng)黏度的漿料，然后涂在梳狀金電極的表面，涂覆的厚度要適當(dāng)，一般在20um30um左右，然后進(jìn)行熱處理和老化，引出電極后即可使用。 由于Fe

17、3O4感濕膜是松散的微粒集合體，缺少足夠的機(jī)械強(qiáng)度，微粒之間依靠分子力和磁力的作用，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，微粒之間的接觸呈凹狀，微粒間的接觸電阻很大，所以Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當(dāng)空氣的相對濕度增大時(shí)，F(xiàn)e3O4感濕膜吸濕，由于水分的附著,第10章 氣濕敏傳感器,擴(kuò)大了顆粒間的接觸面，降低了粒間的電阻和增加更多的導(dǎo)流通路，所以元件阻值減?。划?dāng)處于干燥環(huán)境中，F(xiàn)e3O4感濕膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。因而這種器件具有負(fù)感濕特性，電阻值隨著相對濕度的增加而下降，反應(yīng)靈敏。這里需要指出的是，燒結(jié)型的Fe3O4濕敏器件，其電阻值隨濕度增加而增大，具有正特性。,第10章 氣濕敏

18、傳感器,10.2.3 濕敏傳感器的應(yīng)用,1. 自動氣象站濕度測報(bào) 濕度傳感器廣泛用于自動氣象站的遙測裝置上，采用耗電量很小的濕度傳感器可以由蓄電瓶供電長期自動工作，幾乎不需要維護(hù)。用于無線電遙測自動氣象站的濕度測報(bào)原理方框圖如圖所示。,第10章 氣濕敏傳感器,無線電遙測自動氣象站的濕度測報(bào)原理方框圖,第10章 氣濕敏傳感器,氯化鋰濕度傳感器將被測濕度轉(zhuǎn)換為電阻值，Rf轉(zhuǎn)換電路將此電阻值R轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率f，再經(jīng)自校準(zhǔn)器控制使頻率f與相對濕度一一對應(yīng)，最后經(jīng)門電路記錄在自動記錄儀上。如果需要遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，則還需要將得到的數(shù)字量編碼，調(diào)制到無線電載波上發(fā)射出去。,第10章 氣濕敏傳感器,1. 汽車后窗玻璃自動去濕裝置 圖是一種用于汽車駕駛室擋風(fēng)玻璃的自動去濕電路。其目的是防止駕駛室的擋風(fēng)玻璃結(jié)露或結(jié)霜，保證駕駛員視線清楚，避免事故發(fā)生。該電路也可用于其他需要去濕的場合。,第10章 氣濕敏傳感器,汽車后窗玻璃自