1、第9章 氣、濕敏傳感器,9.1 氣敏傳感器 9.2 濕敏傳感器 思考題與習(xí)題,9.1 氣敏傳感器,9.1.1 半導(dǎo)體氣敏元件的分類及必備條件 氣敏元件按照其與氣體的相互作用主要是局限于半導(dǎo)體表面,還是涉及到內(nèi)部,可分為表面控制型和體控制型兩類；按照半導(dǎo)體變化的物理特性,又可分為電阻式和非電阻式,如表9.1所示。,表9.1 半導(dǎo)體氣敏元件的分類,電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng),使其某些關(guān)系特性發(fā)生變化,來對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接的檢測。 氣敏元件不管其種類、應(yīng)用范圍如何,至少都必須具備如下條件： 對(duì)氣體的敏感現(xiàn)

2、象是可逆的。 單位濃度的信號(hào)變化量大。 能檢測出的下限濃度低。 響應(yīng)重復(fù)特性良好。 選擇性好,即對(duì)與被測氣體共存的其它氣體不敏感。 對(duì)周圍環(huán)境（如溫度、濕度）的依賴性小。 性能長期穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)比較簡單。,9.1.2 表面控制型電阻式半導(dǎo)體氣敏元件 1. 結(jié)構(gòu) 通常,氣敏傳感器主要由如下三部分組成： 氣體敏感元件。 對(duì)敏感元件進(jìn)行加熱的加熱器。 支持上述部件的封裝部分。 圖9.1示出了一個(gè)有代表性的氣敏傳感器的整體結(jié)構(gòu)。,圖9.1 某氣敏傳感器的整體結(jié)構(gòu),氣敏元件是氣敏傳感器的核心,有三種結(jié)構(gòu)類型燒結(jié)體型、薄膜型和厚膜型,如圖9.2所示。其中,圖9.2(a)所示的多孔質(zhì)燒結(jié)體型氣敏元件,是把電極和

3、元件加熱用的加熱器埋入金屬氧化物中,添加Al2O3、SiO2等催化劑和粘結(jié)劑,通電加熱或加壓成型后再低溫?zé)Y(jié)而成。這類元件的性能一致性較差。圖9.2（b）所示是薄膜型氣敏元件。這類元件是在絕緣襯底（如石英基片）上蒸發(fā)或?yàn)R射上一層氧化物半導(dǎo)體薄膜（厚度小于幾微米）制成的,其性能受到工藝條件以及薄膜的物理、化學(xué)狀態(tài)的影響,元件間性能差異較大。但由于近期薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展和以微細(xì)加工為中心的半導(dǎo)體技術(shù)的影響,這類元件性能已有了新的改觀。,圖9.2(c)所示是厚膜型氣敏元件。這類元件一般是把半導(dǎo)體氧化物粉末、添加劑、粘合劑及載體混合成漿料,再把漿料印刷（絲網(wǎng)印刷）到基片上（厚度數(shù)微米到數(shù)十微米）制成的

4、,其靈敏度與燒結(jié)體型的相當(dāng),工藝性、機(jī)械強(qiáng)度和性能的一致性都很好。 上述氣敏元件的加熱器是用來燒去附在元件表面的油霧與塵埃,加速氣體的吸附,從而提高元件的靈敏度和響應(yīng)速度。元件的工作加熱溫度取決于氧化物材料及被測氣體的種類,一般在200400 。,圖9.2 半導(dǎo)體氣敏元件的基本結(jié)構(gòu) (a) 燒結(jié)體型元件；(b) 薄膜型元件；(c) 厚膜型元件,2. 工作原理 當(dāng)氣體吸附到半導(dǎo)體氣敏元件表面時(shí),元件的電阻（或電導(dǎo)率）會(huì)發(fā)生變化。即氣敏元件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)后,被檢測的氣體接觸元件的表面而被吸附,吸附分子在元件的表面上自由擴(kuò)散（物理吸附）,失去其運(yùn)動(dòng)能量。一部分氣體分子被蒸發(fā)；另一部分殘留分子產(chǎn)生熱

5、分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。這時(shí),如果N型半導(dǎo)體的功函數(shù)（功函數(shù)：標(biāo)志著電子從半導(dǎo)體中逸出的能量的大小。功函數(shù)越大,電子越不容易從半導(dǎo)體中逸出）大于氣體吸附分子的離解能,氣體的吸附分子將向半導(dǎo)體釋放出電子,而成為正離子吸附（帶正電荷）。供給半導(dǎo)體的電子將束縛半導(dǎo)體本身的自由電荷中的少數(shù)電荷空穴。因此,在導(dǎo)帶上參與導(dǎo)電的自由電子的復(fù)合率減少,從而表現(xiàn)出自由電子數(shù)增加,半導(dǎo)體元件的阻值減小。,具有這種正離子吸附的氣體稱為還原性氣體,如H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁惖取Ｈ绻雽?dǎo)體的功函數(shù)小于氣體吸附分子的親和力,則吸附分子將從半導(dǎo)體奪取電子而變成負(fù)離子吸附。具有負(fù)離子吸附的氣體稱為氧化性氣體,如O

6、2、NOx等。負(fù)離子吸附的氣體因?yàn)閵Z取了半導(dǎo)體的電子,而將空穴交給半導(dǎo)體,使導(dǎo)帶的自由電子數(shù)目減少,因此元件的電阻值增大。 這個(gè)工作原理可用圖9.3所示的流程加以說明。,圖9.3 工作原理流程解釋,圖9.4示出了氣體接觸到N型半導(dǎo)體時(shí)所引起的元件阻值變化情況。由于空氣中的氧分壓大體上是恒定的,因此氧的吸附量也是恒定的。當(dāng)處于空氣中的元件的阻值保持不變時(shí),如果被測氣體流入這種氣氛中,元件表面將產(chǎn)生吸附作用,元件的阻值將隨氣體的性質(zhì)與濃度而變化,通過測量電路（如電橋電路）就可測出其濃度。對(duì)于P型半導(dǎo)體氣敏元件,情況則相反,氧化性氣體使其電阻減小,還原性氣體使其電阻增大。,圖9.4 N型半導(dǎo)體吸附氣

7、體時(shí)的元件阻值變化情況,3. 元件材料 1） 氧化錫（SnO2）系 SnO2是具有比較高的電導(dǎo)率的N型金屬氧化物半導(dǎo)體。氧化錫系多孔質(zhì)燒結(jié)體型氣敏元件,是目前廣泛應(yīng)用的一種元件。它是用氯化錫和氧化錫粉末在700900下燒結(jié)而成的。 元件中添加了鉑（Pt）和鈀（Pd）等作為催化劑,以提高其靈敏度與氣體識(shí)別能力（選擇性）。添加劑的成分與含量、元件的燒結(jié)溫度和工作溫度將影響元件的選擇性。如在同一工作溫度下,含1.5%（重量）Pd的元件,對(duì)Co最靈敏,含0.2%（重量）Pd時(shí),對(duì)CH4最靈敏。又如同一含Pt的氣敏元件,在200 以下檢測CO最好,而在300檢測丙烷、在400以上檢測甲烷最佳。,近年來發(fā)

8、展的厚膜型SnO2氣敏元件,添加了ThO2,提高了元件的氣體識(shí)別能力,尤其是對(duì)CO的靈敏度遠(yuǎn)高于對(duì)其它氣體的靈敏度。特別是添加ThO2的元件,在檢測CO時(shí),其靈敏度隨時(shí)間有周期性的振蕩現(xiàn)象（見圖9.5）,其頻率和振幅與氣體的濃度有關(guān)。雖目前尚不明確其機(jī)理,但可利用這一現(xiàn)象對(duì)CO濃渡作較精確的定量檢測（見圖9.6）。 還可以采用改變?cè)臒Y(jié)溫度和工作溫度相結(jié)合的措施,提高其氣體識(shí)別能力。,圖9.5 添加ThO2的SnO2氣敏元件在不同濃度的CO氣氛中的振蕩波形 （元件工作溫度為200 ,添加1%（重量）的ThO2）,圖9.6 振蕩頻率、振幅與CO濃度的關(guān)系 （元件工作溫度180 ）,2) 氧化

9、鐵（Fe2O3）系 Fe2O3也和SnO2一樣,是N型金屬氧化物。它具有通過改變Fe的價(jià)數(shù),其電導(dǎo)率發(fā)生極大變化的特性。這是在其它金屬氧化物中見不到的特性。也就是說,它具有電阻值與氧化還原狀態(tài)（或條件）相對(duì)應(yīng)而變化的特異性質(zhì)。利用這種性質(zhì),采用- Fe2O3與-Fe2O3 的燒結(jié)體開發(fā)的氣敏元件,已達(dá)到了實(shí)用階段。-Fe2O3本身的電阻率相當(dāng)高,但是如果在某個(gè)高溫下與還原性氣體接觸，它比較容易被還原成電阻率極小的Fe3O4,而Fe3O4如果在300 左右的溫度下被氧化,又會(huì)反回來再度變成- Fe2O3 。- Fe2O3燒結(jié)體在35 左右對(duì)丙烷、異丁烷氣體的靈敏度特別高,因此特別適合作液化石油氣

10、敏元件。-Fe2O3通過在其中摻雜Sn4+等,得到呈現(xiàn)顯著氣敏特性的-Fe2O3,以此為材料的氣敏元件,對(duì)甲烷有很高的靈敏度,可用作城市煤氣報(bào)警。,3） 氧化鋅 (ZnO) 系 氧化鋅系氣敏元件對(duì)還原性氣體有較高的靈敏度。它的工作溫度較高,比氧化錫系氣敏元件的工作溫度高100左右,因此在應(yīng)用上不及氧化錫系元件普遍。 為了提高元件對(duì)氣體的選擇性, ZnO系氣敏元件同樣需要添加Pt和Pd等添加物作催化劑。如添加pd,則對(duì)H2和CO呈現(xiàn)出高的靈敏度,而對(duì)丁烷、丙烷、乙烷等烷烴類氣體則靈敏度很低,如圖9.7所示。如添加Pt,則對(duì)烷烴類氣體呈現(xiàn)高的靈敏度,而且含碳量越多,靈敏度越高,而對(duì)H2、CO等氣體

11、則靈敏度很低,如圖9.8所示。,圖9.7 ZnO類氣敏元件（添加Pd）,圖9.8 ZnO類氣敏元件（添加Pt）的靈敏度特性,9.1.3 基于MEMS的新型微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器 1. 硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器 襯底為硅,敏感層為非硅材料的微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器,統(tǒng)稱為硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器,它是當(dāng)前微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的主流。 1） 金屬氧化物半導(dǎo)體或聚合物電導(dǎo)型氣敏傳感器 這類氣敏傳感器的敏感材料是金屬氧化物半導(dǎo)體或?qū)щ娋酆衔?。?dāng)這些敏感材料暴露在待測氣體中時(shí),氣體會(huì)和它們發(fā)生作用,引起器件電阻或電導(dǎo)發(fā)生變化,給出包含氣體成分和濃度的電信號(hào),這種信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路處理后,就能識(shí)別氣體的成分和濃度。 ,使用最多的

12、金屬氧化物半導(dǎo)體是二氧化錫。費(fèi)加羅公司已用它制造出20多種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器。其次是二氧化鈦、氧化鋅、氧化鎢和氧化銥等。為了提高氣敏傳感器的靈敏度和選擇性,在金屬氧化物中一般要有意識(shí)地?fù)饺脒m量催化劑,如鈀、鉑或其它合適的金屬氧化物,如氧化鎂、氧化銅等。用得較多的導(dǎo)電聚合物是聚吡咯、聚噻吩、聚吲哚、聚呋喃等。這類微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器十分適合于使用MEMS技術(shù)來制造。下面以二氧化錫電導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器為例,簡要說明其制作工藝。圖9.9是二氧化錫微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝流程示意圖。,圖9.9中,1為生長SiO2膜；2為擴(kuò)硼；3為擴(kuò)磷；4為形成歐姆電極；5為背面腐蝕；6為沉積SiO2敏感膜。從圖中

13、可看到,利用硅芯片制作了硼擴(kuò)散電阻加熱器和PN結(jié)二極管測溫元件。制作加熱器和測溫元件的目的是按要求控制氣敏傳感器的工作溫度,提高其敏感特性。為了減少器件的熱容量從而降低功耗,采用了MEMS技術(shù)特有的犧牲層工藝,從背面將芯片選擇性地減薄。美國C-W儲(chǔ)備大學(xué)愛迪生傳感器技術(shù)中心開發(fā)的這種傳感器的工藝參數(shù)為：N型100硅芯片厚250m,經(jīng)過犧牲層工藝減薄到6m；二氧化錫膜和硅芯片電隔離的二氧化硅膜厚0.5m；,叉指狀歐姆接觸金電極厚0.3m；二氧化錫敏感膜由金屬有機(jī)物沉積（MOD）法制作,在100130 下干燥0.5 h后,再在300 下空氣中熱處理1 h, 然后用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝得到所需的圖案；必要的

14、信號(hào)處理電路和讀出電路制作在同一硅芯片的鄰近區(qū)域（圖中未畫出）。 導(dǎo)電聚合物微結(jié)構(gòu)氣體敏傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝與金屬氧化物半導(dǎo)體的相似,由于導(dǎo)電聚合氣敏傳感器在室溫下工作,故不必制作加熱和測溫元件,硅芯片也不需要減薄。,圖9.9 二氧化錫微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝流程示意圖,2） 固體電解質(zhì)氣敏傳感器 這類傳感器有電流型和電壓型兩種。電流型的靈敏度高,測量范圍大,溫漂小。它的輸出電流和敏感性能與電極尺寸關(guān)系密切。使用MEMS技術(shù)能精確控制電極尺寸,能保證電流型固體電解質(zhì)氣敏傳感器的優(yōu)異性能。 以硅基微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定氧化鋯電流型氧傳感器為例,簡要介紹這種傳感器的制作工藝。這里以250 m厚的N型100硅

15、芯片作襯底,在其上淀積0.5 m厚的二氧化硅膜作電絕緣層。由于穩(wěn)定氧化鋯要在600 高溫下工作,所以在二氧化硅膜上淀積0.3 m厚的鉑膜作加熱器和測溫元件。再淀積一層電絕緣層后,在其上用離子束鍍膜技術(shù)制作厚約0.5 m的釔穩(wěn)定氧化鋯膜作固體電解質(zhì)。最后用犧牲層工藝,將芯片從背面選擇性地減薄到610 m厚。這種微結(jié)構(gòu)氧傳感器在700 下工作,功耗小于2 W。,3） 電容型氣敏傳感器 微結(jié)構(gòu)電容型氣敏傳感器實(shí)際上是用MEMS技術(shù)制作在硅芯片上的叉指狀電容器,電容器的介質(zhì)是能吸附待測氣體的聚合物薄膜。聚合物介質(zhì)吸收待測氣體后,介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化,電容器的電容也跟著發(fā)生變化。由于電容的變化與待測氣

16、體的介電常數(shù)及待測氣體與聚合物的作用這兩個(gè)因素都有關(guān),故這種氣敏傳感器的選擇性很好。為了提高靈敏度,在硅芯片上制作了兩個(gè)完全相同的電容器： 敏感電容器,介質(zhì)為特殊聚合物；參考電容器,介質(zhì)為空氣（未淀積聚合物）。由它們組成高分辨率的電荷比較電路來提高傳感器的靈敏度。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所用MEMS技術(shù)開發(fā)的這種微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器,對(duì)許多有機(jī)化合物氣體十分敏感。這種傳感器也需要加熱器和測溫元件,其制作工藝與金屬氧化物半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的類似。,4） 諧振器型氣敏傳感器 近一二十年的研究發(fā)現(xiàn),硅材料除了是良好的半導(dǎo)體材料外,還是良好的機(jī)械材料,可以制作振動(dòng)元件。用MEMS技術(shù)所特有的深槽（坑、腔）刻蝕

17、工藝,在硅芯片上制作出硅梁諧振器。在硅梁上沉積能吸附被測氣體的聚合物膜,同時(shí)在芯片上制作激振元件和測振元件,就得到了微結(jié)構(gòu)諧振器型氣敏傳感器。其工作原理為： 當(dāng)器件暴露在被測氣體中時(shí),聚合物膜吸附被測氣體使硅梁質(zhì)量增加,則諧振頻率下降。只要測出吸附被測氣體前后硅梁諧振頻率的變化,就可推算出被測氣體的濃度。北京大學(xué)微電子所開發(fā)的這種微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器,檢測二氧化氮的濃度下限達(dá)10-6,當(dāng)工作頻率為19 kHz時(shí),靈敏度達(dá)1.3 Hz10-6。,2. 硅微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器 1）MOSFET型氣敏傳感器 這種微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制造工藝和MOS集成電路工藝基本上是相同的,只是MOSFET柵電極材料不同。M

18、OS集成電路的MOSFET柵電極材料通常是金屬鋁,而MOSFET型微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器中的MOSFE柵電極材料是對(duì)待測氣體敏感的材料,如鈀、銥、碘化鉀等。其工作原理是： 當(dāng)柵電極暴露在待測氣體中時(shí),柵電極材料與待測氣體作用而引起MOSFET閾值電壓的變化,分析這種變化就可知道待測氣體的濃度。當(dāng)柵電極為鈀時(shí),對(duì)氫氣很敏感；當(dāng)柵電極為鉑、銥時(shí),對(duì)含氫化合物氣體NH3、H2S和乙醇蒸汽很敏感；當(dāng)柵電極為碘化鉀時(shí),可檢測臭氧。,2） MIS二極管型氫敏傳感器 MIS二極管的伏安特性對(duì)氫氣很敏感,當(dāng)氫氣濃度改變時(shí),其伏安特性會(huì)發(fā)生明顯的變化,因而可利用它來檢測氫氣。美國C-W儲(chǔ)備大學(xué)開發(fā)了帶有加熱器和測溫元

19、件的MIS二極管型微結(jié)構(gòu)氫敏傳感器。為了提高靈敏度和耐久性,電極金屬用鈀-銀合金代替鈀；用集成電路工藝制造出加熱器、測溫元件和MIS二極管；最后用犧牲層工藝從背面將硅芯片選擇性地減薄。 這種測氫二極管在正偏或反偏狀態(tài)下都可測氫氣的濃度： 用恒流源正偏置MIS二極管,其正偏壓降可定量顯示氫氣的濃度；用恒壓源反偏置MIS二極管,其反向漏電流可定量顯示氫氣的濃度。,9.1.4 應(yīng)用舉例 氣敏傳感器的應(yīng)用已越來越廣泛,表9.2歸納了其主要應(yīng)用范圍。,表9.2 氣敏傳感器的主要應(yīng)用范圍,1. 家用煤氣、液化石油氣泄漏報(bào)警器 這種家用煤氣、液化石油氣泄漏報(bào)警器有不少型號(hào)可供選擇。圖9.10所示為一種簡單、

20、廉價(jià)的家用煤氣、液化石油氣報(bào)警器電路。該電路能承受較高的交流電壓,因此,可直接由220 V市電供電,且不需要再加復(fù)雜的放大電路,就能驅(qū)動(dòng)峰鳴器等來報(bào)警。由該電路的組成可見,峰鳴器與氣敏傳感器QM-N6的等效電阻構(gòu)成了簡單串聯(lián)電路,當(dāng)氣敏傳感器探測到泄漏氣體（如煤氣、液化石油氣）時(shí),隨著氣體濃度的增大,氣敏傳感器QM-N6的等效電阻降低， 回路電流增大,超過危險(xiǎn)的濃度時(shí),蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。,圖9.10 家用煤氣、液化石油氣泄漏報(bào)警器電路,2. 城市煤氣報(bào)警器 這種報(bào)警器的氣敏元件廣泛使用氧化錫,它對(duì)甲烷類碳?xì)浠衔锏撵`敏度非常高,但對(duì)酒精等也很敏感。人們希望有一只氣體傳感器能檢測出煤氣又不至因酒精

21、存在而誤報(bào)警；既適用于各城市有所差別的煤氣報(bào)警,又能對(duì)煤氣爆炸濃度及對(duì)不完全燃燒的CO中毒危險(xiǎn)濃度報(bào)警。基于這種需要，人們研制了這種類型的報(bào)警器,其中之一是一種由厚膜混合電路氣體傳感器和單片微處理機(jī)構(gòu)成的新型城市用煤氣報(bào)警器。這種報(bào)警器把對(duì)甲烷最敏感的氧化錫厚膜、對(duì)一氧化碳最敏感的氧化鎢厚膜和對(duì)酒精特別敏感的鎳酸鑭厚膜集成在同一塊三氧化二鋁陶瓷基片上,如圖9.11所示。經(jīng)過單片微處理機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,可分別對(duì)甲烷、一氧化碳、酒精等發(fā)出報(bào)警信號(hào)。,圖9.11 厚膜混合電路氣體傳感器的結(jié)構(gòu),9.2 濕敏傳感器,9.2.1 濕度及其表示 1. 絕對(duì)濕度（AH, Absolute Humidity）

22、絕對(duì)濕度（AH）表示單位體積（即1m3）的空氣中所含水氣的質(zhì)量,其定義式為 式中： mV為待測空氣中的水氣質(zhì)量；V為待測空氣的總體積。絕對(duì)濕度的單位為gm3。,2. 相對(duì)濕度（RH,Relative Humidity） 相對(duì)濕度定義為待測空氣的水氣分壓與相同溫度下水的飽和水氣壓的比值之百分?jǐn)?shù),其定義式為 式中： PV為待測空氣的水氣分壓；PW為與待測空氣同溫度時(shí)水的飽和水氣壓。 相對(duì)濕度也可定義為氣體的絕對(duì)濕度Pa與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度Ps的百分比,其定義式為 目前應(yīng)用最多的是相對(duì)濕度。,3. 露點(diǎn)溫度 保持壓力一定而降溫,使混合氣體中的水蒸氣達(dá)到飽和而開始結(jié)露或結(jié)霜時(shí)的溫度稱為露

23、點(diǎn)溫度（單位為）,通常簡稱為露點(diǎn)?？諝獾南鄬?duì)濕度越高,就越容易結(jié)霜。混合氣體中的水蒸氣壓,就是在該混合氣體中露點(diǎn)溫度下的飽和水蒸氣壓,因此,通過測定空氣露點(diǎn)的溫度,就可以測定空氣的水蒸氣壓。,9.2.2 對(duì)濕敏傳感器的基本要求 濕敏傳感器通常應(yīng)滿足如下要求： 能滿足所要求的濕度測量范圍,且響應(yīng)迅速。 在各種氣體環(huán)境中特性穩(wěn)定。 受溫度的影響小,能在-30100 的環(huán)境溫度中使用。 不受塵埃附著的影響。 工作可靠,互換性好,使用壽命長。 制造簡單,價(jià)格便宜。,9.2.3 電阻式濕敏傳感器 1. 氯化鋰濕敏傳感器 圖9.12所示為在玻璃帶上浸有氯化鋰溶液的浸漬式濕敏元件。濕敏元件的基片材料為無堿玻

24、璃帶。將該玻璃帶浸在乙醇中,除去纖維表面上附著的收集劑,將兩片變成弓字形的鉑箔片夾在基片材料的兩側(cè)作為電極。圖9.12中右面所示為濕敏元件外形圖。元件的電阻值隨濕氣的吸附與脫附過程而變化。圖9.13為這種濕敏元件的電阻-相對(duì)濕度特性。通過測定電阻,便可知道相對(duì)濕度。由圖9.13可知,在50%80%的相對(duì)濕度范圍內(nèi),電阻與濕度的變化成線性關(guān)系。為了擴(kuò)大濕度測量范圍,可以將幾支浸漬不同濃度氯化鋰的濕敏元件組合使用。,如用浸漬1%1.5%（重量）濃度氯化鋰濕敏元件,可檢測相對(duì)濕度20%50%范圍內(nèi)的濕度,而用0.5%（重量）濃度氯化鋰的濕敏元件,可檢測相對(duì)濕度40%80%范圍內(nèi)的濕度。這樣,將這兩支

25、濕敏元件配合使用,就可以檢測相對(duì)濕度20%80%范圍內(nèi)的濕度。 由圖9.13可以看出,在濕氣的吸附和脫附過程中,元件的電阻值變化呈現(xiàn)出較小的滯后現(xiàn)象。因此,如果濕度的測量精度要求不太高（如2%(RH)）,在常溫附近使用時(shí),可不必進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,圖9.12 玻璃帶上浸LiCl的濕敏元件的結(jié)構(gòu),圖9.13 玻璃帶上浸漬LiCl的濕敏元件的電阻-相對(duì)濕度特性,9.2.4 陶瓷濕敏傳感器 陶瓷濕敏傳感器是近年來正在大力發(fā)展的一種新型傳感器。金屬氧化物陶瓷構(gòu)成的濕敏傳感器有離子型和電子型兩類。 在離子型濕敏元件中,由絕緣材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用（毛細(xì)凝聚作用）,在潮濕氣氛中

26、呈現(xiàn)出H+離子,使元件的電導(dǎo)率增加。這類傳感器已有兩種處于實(shí)用階段：一種是以-Fe2O3及K2CO3為主要成分,另一種以ZnO、V2O5、Li2O為主要成分。前一種傳感器的電阻與溫度的關(guān)系示于圖9.14。由圖可見,在環(huán)境溫度0100 ,0%30%相對(duì)濕度范圍內(nèi),元件的阻值與濕度呈線性關(guān)系,且在低溫段,電阻隨濕度的變化較大。,電子型濕敏元件是利用分子在氧化物表面上的化學(xué)吸附導(dǎo)致元件電導(dǎo)率改變的原理制成的。元件的電導(dǎo)率是增加還是減小,取決于氧化物半導(dǎo)體是N型還是P型。氧化鋯-氧化鎂陶瓷濕敏傳感器是最近研制出來的一種能在高溫環(huán)境下進(jìn)行濕度檢測的電子型濕敏傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖9.15所示。這種傳感器的濕

27、敏元件是氧化鋯-氧化鎂合成陶瓷,它是一種多孔質(zhì)N型半導(dǎo)體材料。元件的四周裝有電熱元件,能將陶瓷加熱到300700 的工作溫度,使傳感器在高溫下檢測水蒸氣,并且能燒掉粘附在元件表面上的污物,起到清洗的作用。濕敏元件與電熱元件裝在一只由耐熱、耐腐蝕的三氧化二鋁陶瓷和不銹鋼端子組成的底座上。為了保護(hù)傳感器以及防止由于空氣流速變動(dòng)所引起的特性改變,傳感器用不銹鋼網(wǎng)罩罩住。,這種傳感器在高溫環(huán)境中使用時(shí),具有高的熱穩(wěn)定性,幾乎不受環(huán)境氣氛中其它氣體（空氣、氧氣、氮?dú)?、還原性氣體）的影響。在-20700 的環(huán)境溫度中使用,長期穩(wěn)定性較好。該類傳感器已應(yīng)用于食品加工、空氣調(diào)節(jié)器和干燥器等設(shè)備中。 陶瓷濕敏傳

28、感器的優(yōu)點(diǎn)是： 濕度滯后小,響應(yīng)速度不超過1015 s,便于批量生產(chǎn)。但其長期可靠性較差,易受環(huán)境溫度影響等問題仍待克服。,圖9.14 陶瓷濕敏傳感器的電阻與濕度的關(guān)系,圖9.15 一種氧化鋯-氧化鎂陶瓷濕敏傳感器的結(jié)構(gòu),9.2.5 電容式濕敏傳感器 電容式濕敏傳感器是利用濕敏元件的電容值隨濕度變化的原理進(jìn)行濕度測量的傳感器。這里介紹兩種薄片狀電容式濕敏傳感元件。這類濕敏元件實(shí)際上是一種吸濕性電介質(zhì)材料的介電常數(shù)隨濕度而變化的薄片狀電容器。吸濕性電介質(zhì)材料（感濕材料）主要有高分子聚合物（例如乙酸-丁酸纖維素和乙酸-丙酸纖維素）和金屬氧化物（例如多孔氧化鋁）等。由吸濕性電介質(zhì)材料構(gòu)成的薄片狀電容

29、式濕敏傳感器能測全濕范圍的濕度,且線性好,重復(fù)性好,滯后小,響應(yīng)快,尺寸小,能在-1070 的環(huán)境溫度中使用。,圖9.16所示為高分子聚合膜電容式濕敏元件的結(jié)構(gòu)。在清洗干凈的玻璃襯底或聚酰亞胺薄膜軟襯底上,蒸鍍一層厚度約1 m的叉指形金電極（下電極）,在其表面上均勻涂覆（或浸漬）一層厚度約5000（1 =10-8cm）的感濕膜（醋酸纖維膜）,在感濕膜的表面上再蒸鍍一層多孔性金薄膜（上電極）,上電極薄膜的厚度約200500 較為適宜。由上、下電極和夾在其間的感濕膜構(gòu)成一個(gè)對(duì)濕度敏感的平板形電容器。,圖9.16 一種高分子聚合膜電容式濕敏元件的結(jié)構(gòu),當(dāng)環(huán)境氣氛中的水分子沿著電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕膜

30、而被吸附時(shí),濕敏元件的電容值與相對(duì)濕度之間成正比關(guān)系,線性度約1%,如圖9.17所示。這類電容式濕敏傳感器的響應(yīng)速度快,是由于電容器的上電極是多孔的透明金薄膜,水分子能順利地穿透薄膜,且感濕膜只有一層呈微孔結(jié)構(gòu)的薄膜,因此吸濕和脫濕容易。圖9.18示出了其響應(yīng)特性。試驗(yàn)表明,當(dāng)濕敏元件從低濕氣氛（相對(duì)濕度為30%）迅速移入高濕氣氛（相對(duì)濕度為93%）中時(shí),其時(shí)常數(shù)小于3 s；如從高濕氣氛迅速移入低濕氣氛中,則響應(yīng)速度稍慢（約1030s）。,圖9.17 電容值與相對(duì)濕度的關(guān)系,圖9.18 電容式濕敏傳感器的響應(yīng)特性,圖9.19 一種氧化鋁薄膜電容式濕敏元件的結(jié)構(gòu),圖9.19示出了另一種薄片狀電容

31、式濕敏元件的結(jié)構(gòu)。其感濕膜為一層多孔氧化鋁薄膜,襯底為硼硅玻璃或藍(lán)寶石,上金膜電極和兩個(gè)下金或鉑電極形成兩個(gè)串聯(lián)電容器。當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度變化時(shí),吸附在氧化鋁薄膜上的水分子質(zhì)量變化,引起電容值變化。在一定溫度范圍內(nèi),電容值的改變與相對(duì)濕度的改變成正比。但在高濕環(huán)境中（相對(duì)濕度大于90%）,會(huì)出現(xiàn)非線性。為了改善濕度特性的線性度,提高濕敏元件的長期穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,對(duì)氧化鋁薄膜表面進(jìn)行純化處理（如鹽酸處理或在蒸餾水中煮沸等）,可以收到較為顯著的效果。,9.2.6 電解質(zhì)式濕度傳感器 這種傳感器的原理如圖9.20所示。兩根電極插在浸透氯化鋰溶液的玻璃纖維中,并加上交流電壓。由于氯化鋰水溶液能導(dǎo)電,

32、通電產(chǎn)生的焦耳熱使其溫度升高,導(dǎo)致溶液中的水分蒸發(fā)。當(dāng)溶液達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),電阻急劇增大,電流減小,促使溫度下降。由于溫度下降,溶液反過來吸收大氣中的水分。通過溫度的升高和下降過程的反復(fù)進(jìn)行,最后保持在一定的溫度上。達(dá)到這個(gè)溫度時(shí),說明氯化鋰水溶液中的水蒸氣壓與周圍空氣的水蒸氣壓相等,于是進(jìn)入平衡狀態(tài)。所以,測量這個(gè)溫度值,就能求出周圍的水蒸氣壓,即可得到濕度。這種濕度傳感器的可靠性高,多用于工業(yè)過程中的濕度管理。,圖9.20 填充型氯化鋰濕度傳感器的原理,9.2.7 應(yīng)用范圍及應(yīng)用實(shí)例 濕敏傳感器的用途極廣。表9.3列出了它的應(yīng)用范圍和使用溫度、濕度范圍。,表9.3 濕敏傳感器的應(yīng)用范圍和使用溫度、濕度范圍,1. 一個(gè)烹調(diào)設(shè)備中濕度控制的應(yīng)用實(shí)例 圖9.21所示為自動(dòng)烹調(diào)設(shè)備中濕度檢測控制系統(tǒng)原理框圖。Rs為濕敏元件,電熱器用來加熱濕敏元件至550 工作溫度。由于傳感器工作在高溫環(huán)境中,所以濕敏元件一般不采取直流電壓供電,而采用振蕩器產(chǎn)生的交流電供電。因?yàn)樵诟邷丨h(huán)境中,當(dāng)濕敏元件加上直流電時(shí),很容易發(fā)生電極材料的遷移,從而影響傳感器的正常工作。Ro為固定電阻,與傳感器電阻Rs構(gòu)成分壓電路。交-直流變換器的直流輸出信號(hào)經(jīng)運(yùn)算單元運(yùn)算,輸出與濕度成比例的電信號(hào),并由顯示器顯示。,圖9.21 自動(dòng)烹調(diào)設(shè)備中濕度檢測控制系統(tǒng)原理框圖,濕敏傳感器安裝在烹調(diào)設(shè)備（如圖9.22所示的