第10章气敏湿敏传感器

课题§2－3气敏、湿敏电阻传感器教学目的了解气敏、湿敏电阻传感器的结构及应用教学重点气敏、湿敏电阻传感器的结构及应用教学难点气敏、湿敏电阻传感器的原理教学资源多媒体教学课件，气敏、湿敏电阻传感器实物一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1.定义2.结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。3.分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。二.半导体气敏材料的气敏机理三.SnO2系列气敏器件1.主要特性2.检测电路四.气敏传感器的应用1简易家用气体报警2有害气体鉴别、报警与控制电路3防止酒后开车控制器10.2湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1.负特性湿敏半导瓷的导电原理2正特性湿敏半导瓷的导电原理二.典型半导瓷湿敏元件三.湿敏传感器的应用1湿度检测器2高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2.掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二.重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1.定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。2.结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。3.分类：按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种：①烧结型：图5.1(a)所示为烧结型气敏元器件，它是以氧化物半导体(如SnO2)材料为基体，将铂电极和加热器埋入金属氧化物中，经加热或加压成形后，再用低温(700℃～900℃)制陶工艺烧结制成，因此也被称为半导体陶瓷。优点：制作方法简单，器件寿命较长。缺点：由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，此外，电特性误差较大，所以应用受到一定限制。②薄膜型图5.1(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)。优点：制作方法也简单，缺点：由于这种薄膜是物理性附着，所以器件间性能差异较大。③厚膜型图5.1(c)、图5.1(d)所示为厚膜型器件，它是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。优点：这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200℃～400℃。按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件：①直热式器件直热式器件的结构和符号如图5.2所示，器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。优点：制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用。缺点：热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路之间没有隔离，相互影响。②旁热式器件旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分离，加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的相互影响，器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。二.半导体气敏材料的气敏机理半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面上自由地扩散(物理吸附)，失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx，称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或电子供给型气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，而使电阻下降。三.SnO2系列气敏器件1.主要特性吸附性：图5.4为气体接触到N型半导体时所产生的器件阻值变化。当这种半导体气敏传感器与气体接触时，其阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min。相应的N型材料有SnO2，ZnO，TiO2，W2O3等，P型材料有MoO2，CrO3等。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。灵敏度特性：图5.5为SnO2气敏器件的灵敏度特性，它表示不同气体浓度下气敏器件的电阻值。实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响，如添加Pt(铂)或Pd(钯)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、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下，含1.5%(重量)Pd的元件，对CO最灵敏，而含0.2%(重量)Pd时，对CH4最灵敏；又如同一含量Pt的元件，在200℃以下，对CO最灵敏，而400℃以检测甲烷最佳。温湿度特性SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响，其电阻一温湿度特性如图5.6所示。图中RH为相对湿度，所以在使用时，通常需要加温湿度补偿。以提高仪器的检测精度和可靠性。初期恢复特性除上述特性外，SnO2气敏器件在不通电状态下存放一段时间后，再使用之前必须经过一段电老化时间，因在这段时间内，器件阻值要发生突然变化而后才趋于稳定。经过长时间存放的器件，在标定之前，一般需1～2周的老化时间。2.检测电路SnO2气敏器件所用检测电路如图5.7所示。当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。四.气敏传感器的应用各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。1简易家用气体报警图5.8是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。2有害气体鉴别、报警与控制电路图5.9给出的有害气体鉴别、报警与控制电路图，一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气，使室内空气清新。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高(10kΩ左右)，有有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降，使得B的电压升高，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端脚，当脚电压达到预定值时(调节可调电阻RP可改变5脚的电压预定值)，1、2两脚导通。+12V电压加到继电器上使其通电，触点J1-1吸合，合上排风扇电源开关自动排风。同时2脚+12V电压经R4限流和稳压二极管VZ1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声，而且发光二极管发出红光，实现声光报警的功能。3防止酒后开车控制器图5.10为防止酒后开车控制器原理图。图中QM–J1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1高电平，U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。10.2湿敏传感器湿度的基本概念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。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，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。1.定义湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。2.半导体陶瓷湿敏电阻通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称