新型传感器原理及应用

第5章新型传感器原理及应用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集成化智能传感器传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题一．气敏传感器5.1气敏、湿敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。5.1气敏、湿敏传感器SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件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。按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。(a)烧结型气敏元器件(b)薄膜型气敏元器件5.1气敏、湿敏传感器1.电阻型半导体气敏传感器的结构(c)厚膜型器件(d)厚膜型器件结构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。由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℃。5.1气敏、湿敏传感器直热式器件的结构和符号如图所示，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。这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用，但热容量小，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。按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。5.1气敏、湿敏传感器旁热式气敏器件的结构和符号如图所示。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。5.1气敏、湿敏传感器2.半导体气敏材料的气敏机理概述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。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。N型半导体吸附气体时的器件阻值变化5.1气敏、湿敏传感器3.SnO2系列气敏器件1)主要特性实验证明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。SnO2气敏器件的灵敏度特性5.1气敏、湿敏传感器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。5.1气敏、湿敏传感器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。5.1气敏、湿敏传感器SnO2气敏器件检测电路4.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)简易家用气体报警下图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。5.1气敏、湿敏传感器酒精检测报警打开电源，预热5分钟。用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化2)有害气体鉴别、报警与控制电路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。5.1气敏、湿敏传感器MQS2B阻值UB及TWH8788的5脚接排气扇声光报警开关集成电路导通3)防止酒后开车控制器图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。5.1气敏、湿敏传感器若司机酗酒，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。5.1气敏、湿敏传感器工作原理：二．湿敏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。5.1气敏、湿敏传感器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。5.1气敏、湿敏传感器下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。1.氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂(LiCl)通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂的溶液中，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。当溶液置于一定湿度场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使溶液浓度降低，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。5.1气敏、湿敏传感器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+5%)，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。氯化锂湿敏元件在150℃时的电阻-湿度特性曲线如图所示。由图可知，在50%～80%相对湿度范围内，电阻的对数与湿度的变化为线性关系。5.1气敏、湿敏传感器通常，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，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2O-V2O5；3—TiO2-MgO-Cr2O3Fe3O4半导瓷正湿敏特性图5.1气敏、湿敏传感器2.半导体陶瓷湿敏电阻1)负特性湿敏半导瓷的导电原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动势下降，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，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表面电动势下降较多，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表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。5.1气敏、湿敏传感器正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这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。5.1气敏、湿敏传感器2)正特性湿敏半导瓷的导电原理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P型半导体，它的电阻率低，电阻-湿度特性好。1—加热线圈；2—湿敏陶瓷片；3—电极；4—引线圈电极；5—底板；6—引线；3.典型半导瓷湿敏元件MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度与电阻关系5.1气敏、湿敏传感器1—引线；2—滤网；3—外壳；4—烧结元件；5—电极；6—树脂固封2)ZnO-Cr2O3湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金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，其结构如图5.16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0.5W，体积小、成本低，是一种常用测湿传感器。5.1气敏、湿敏传感器3)四氧化三铁(Fe3O4)湿敏器件Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。器件结构如图5.17所示。Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度一湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程(60%RH→98%RH)需要2min，脱湿过程(98%RH→12%RH)需5min～7min。5.1气敏、湿敏传感器4.湿敏传感器的应用1)湿度检测器图示的是湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为