1、河南工业职业技术学院电气工程系第二讲第二讲 气敏湿敏传感器气敏湿敏传感器一、一、气敏传感器气敏传感器二、二、湿敏湿敏传感器传感器 气敏传感器可以识别气体的种类，测量气体的量，气敏传感器可以识别气体的种类，测量气体的量，多用于检测气体中所含某种特定气体的成分，将其变成多用于检测气体中所含某种特定气体的成分，将其变成电信号。电信号。一、气敏传感器一、气敏传感器 气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导
2、体材料如半导体材料如SnOSnO2 2、ZnOZnO、FeFe2 2O O3 3、MgOMgO、NiONiO、BaTiO3BaTiO3等都具有气敏效应。等都具有气敏效应。1、半导体气敏传感器的工作机理：、半导体气敏传感器的工作机理：半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnOSnO2 2）、氧）、氧化锌（化锌（ZnOZnO）等和体电阻型（）等和体电阻型（FeFe2 2O O3 3）系列；非电阻型）系列；非电阻型有有MOSMOS场效应管型、二极管型（表面电流型场效应管型、二极管型
3、（表面电流型氢敏传氢敏传感器）和固体电解质型。感器）和固体电解质型。2、半导体气敏传感器分类：、半导体气敏传感器分类：按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法,在石英在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1m0.1m以以下）下）,构成薄膜型气敏元件。构成薄膜型气敏元件。厚膜型气敏元件将气敏材料（如厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnOSnO2 2、ZnOZnO）与）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。工艺最
4、成熟的是烧结型的。工艺最成熟的是烧结型的。烧结型气敏元件将元件的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电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,经加热成型经加热成型后低温烧结而成。后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（目前最常用的是氧化锡（SnOSnO2 2）烧结）烧结型气敏元件型气敏元件,它的加热温度较低它的加热温度较低,一般在一般在200200300,300,SnOSnO2 2气敏半导体对许多可燃性气体气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、如氢、一氧化碳、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和
5、间热式两种烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种,其结构与符号如图其结构与符号如图4-2-14-2-1、4-2-24-2-2所示。所示。A A、烧结型气体传感器的结构与符号、烧结型气体传感器的结构与符号图图4-2-1 4-2-1 直热式气敏器件结构及符号直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体烧结体加热极兼电极加热极兼电极(a)结构结构4321(b)符号1、2、3、4为热子兼电极为热子兼电极 直热式的加热直热式的加热丝兼作电极。其结丝兼作电极。其结构简单、成本低、构简单、成本低、功耗小；但热容量功耗小；但热容量小，易受环境气流小，易受环境气流影响；因加热丝热影响；因加热丝热胀冷
6、缩，易使之与胀冷缩，易使之与材料接触不良；在材料接触不良；在测量电路中，信号测量电路中，信号电路和加热电路相电路和加热电路相互干扰。互干扰。图图4-2-2 间热式气敏器件结构及符号间热式气敏器件结构及符号1、2，3、4直热式热子兼电极直热式热子兼电极 2、5间热间热式热子式热子 1、3，4、6间热式电极间热式电极 7SnO2烧烧结体结体 8绝缘瓷管绝缘瓷管 间热式的加热间热式的加热丝与电极分立，加丝与电极分立，加热丝插入陶瓷管内，热丝插入陶瓷管内，管外壁上涂制梳状管外壁上涂制梳状金电极，最外层则金电极，最外层则为为SnOSnO2 2烧结体。它烧结体。它克服了直热式的缺克服了直热式的缺点，有较好
7、的稳定点，有较好的稳定性。性。B B、烧结型气体传感器的工作特性、烧结型气体传感器的工作特性 在检测前，材料表面原已吸着氧，所以对可燃在检测前，材料表面原已吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200200500500范围内。为使传感器能在这样高的温度范围稳定工范围内。为使传感器能在这样高的温度范围稳定工作，具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，作，具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是常见的是SnOSnO2 2和和ZnOZnO。遇遇H H2 2、COCO、碳氢化合物等、碳氢化合物等(还原性即可燃性还原性即可燃性)气体，气体，材料
8、表面层电阻率减小；遇材料表面层电阻率减小；遇O O2 2等氧化性气体时，材料等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大。表面层电阻率增大。1)1)气敏特性气敏特性2)2)温湿度特性温湿度特性 SnO SnO2 2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。3)3)初期恢复特性及初期稳定特性初期恢复特性及初期稳定特性 经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化经短期存放再
9、通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。存放时间愈长，初期恢复时间亦愈放时间及存放环境有关。存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放长，存放7 7天到天到1515天后的初期恢复时间一般约在天后的初期恢复时间一般约在2 25min5min之内。之内。当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高出当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高出正常值正常值2020左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性亦称作初期稳定特性。亦称
10、作初期稳定特性。C C、体电阻控制型气敏传感器、体电阻控制型气敏传感器1)Fe1)Fe2 2O O3 3系列系列 FeFe2 2O O3 3系列现有系列现有-Fe-Fe2 2O O3 3和和-Fe-Fe2 2O O3 3。主要检测液。主要检测液化石油气、煤气和天然气。化石油气、煤气和天然气。-Fe-Fe2 2O O3 3对水蒸气和乙醇对水蒸气和乙醇不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。2)2)氧气传感器氧气传感器 NbNb2 2O O5 5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最
11、佳动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳燃烧状态，以达节能目的。燃烧状态，以达节能目的。气敏元件外形气敏元件外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器酒精传感器的选择性酒精传感器的选择性一氧化碳传感器一氧化碳传感器NH3NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器3、气敏传感器的应用、气敏传感器的应用图图4-2-3 4-2-3 防止酒后开车控制器原理图防止酒后开车控制器原理图n图中图中QM-J1QM-J1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S S，此时，此时气敏器件的阻值很高，气敏器件的阻值很高，U Ua a为高
12、电平，为高电平，U U1 1为低电平，为低电平，U U3 3为高电平，继电器为高电平，继电器K K2 2线圈失电，其常闭触点线圈失电，其常闭触点K K2-22-2闭合，发光二极管闭合，发光二极管VDVD1 1通，发绿光，能点火通，发绿光，能点火起动发动机。起动发动机。若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使U Ua a为低电平，为低电平，U U1 1为高电为高电平，平，U U3 3为为低电平，继电器为为低电平，继电器K2K2线圈通电，线圈通电，K K2-22-2常开触头闭合，发光二极管常开触头闭合，发光二极管VDVD2 2通，发红光，以示警告，同时常闭触点通
13、，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1K2-1断开，无法起动发动机。断开，无法起动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器若司机拔出气敏器件，继电器K K1 1线圈失电，其常开触电线圈失电，其常开触电K K1-11-1断开，仍断开，仍然无法起动发动机。常闭触电然无法起动发动机。常闭触电K K1-21-2的作用是长期加热气敏器件，保证此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。控制器处于准备工作的状态。家用有毒气体探测报警器家用有毒气体探测报警器 一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气中达到一定浓度时，将危及人的健康与
14、安全。本电路线路简单，中达到一定浓度时，将危及人的健康与安全。本电路线路简单，但具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。但具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。图图4-2-4 4-2-4 有毒气体探测报警电路有毒气体探测报警电路 当空气中有毒气体浓度下降至使当空气中有毒气体浓度下降至使A A、K K两点间恢复高两点间恢复高阻时，阻时，K K点电位低于点电位低于1.4V1.4V，U850U850截止，报警解除。截止，报警解除。图图4-2-44-2-4所示电路为探测报警电路。用所示电路为探测报警电路。用QM-N10QM-N10气敏气敏传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、高
15、灵敏度传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件。和其他气敏传感器一样，的气敏元件。和其他气敏传感器一样，QM-N10QM-N10也有一也有一个加热丝和一对探测电极，它是用半导体个加热丝和一对探测电极，它是用半导体N N型材料制成型材料制成的。的。当空气不含有毒气体时，当空气不含有毒气体时，A A、K K两点间的电阻很大，两点间的电阻很大，流过流过RPRP的电流很小，的电流很小，K K点为低电位，达林顿管点为低电位，达林顿管U850U850不导不导通；当空气中含有还原性气体时通；当空气中含有还原性气体时(如上述有毒气体如上述有毒气体)，A A、K K两点间的电阻迅速下降，通过两
16、点间的电阻迅速下降，通过RPRP的电流增大，的电流增大，K K点电位点电位升高，向升高，向C2C2充电直至达到充电直至达到U850U850导通电位导通电位(约约1.4V)1.4V)时，时，U850U850导通，驱动发声集成片导通，驱动发声集成片KD9561KD9561发声。发声。二、湿敏传感器二、湿敏传感器绝对湿度：绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量气中所含水汽的质量(克数克数)。相对湿度：相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的汽压的百分比
17、，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达方法。当相对湿度达100%100%时，称饱和状态。时，称饱和状态。1 1、湿度的相关概念、湿度的相关概念2 2、湿度检测方法、湿度检测方法 湿度检测的方法可分为四类：毛发湿度计法，湿度检测的方法可分为四类：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露点计法，阻容式湿度计法。其干湿球湿度计法，露点计法，阻容式湿度计法。其中干湿球湿度计与露点计的时效小，可用于高精度中干湿球湿度计与露点计的时效小，可用于高精度测量，但体积大，响应速度低，无电信号，不能用测量，但体积大，响应速度低，无电信号，不能用于遥测及湿度自动控制。阻容式湿度传感器体积小、于遥测及湿度自动控
18、制。阻容式湿度传感器体积小、响应速度快，便于把湿度转换为电信号，但稳定性响应速度快，便于把湿度转换为电信号，但稳定性差，不耐差，不耐SOSO2 2的腐蚀。的腐蚀。1）干湿球湿度计外形）干湿球湿度计外形 干湿球湿度计外形干湿球湿度计外形干球干球湿球湿球2）干湿球湿度计原理：）干湿球湿度计原理：3 3、陶瓷湿敏传感器、陶瓷湿敏传感器 金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，吸附金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响应速度快；可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作；应速度快；可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作；工作范围
19、宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。感器的理想材料。主要缺点是：主要缺点是：材料固有电阻大，高温性能不够稳定，材料固有电阻大，高温性能不够稳定，难以集成化等。难以集成化等。一般金属半导体氧化物陶瓷，如一般金属半导体氧化物陶瓷，如MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2等，等，具有感湿负特性，湿度增大，电阻减小。过渡金属氧具有感湿负特性，湿度增大，电阻减小。过渡金属氧化物半导体陶瓷，如化物半导体陶瓷，如FeFe3 3O O4 4等，具
20、有感湿正特性。等，具有感湿正特性。1 1）湿敏传感器的分类）湿敏传感器的分类图图4-2-5 MgCr4-2-5 MgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2湿敏传感器结构与湿度特性湿敏传感器结构与湿度特性a)a)结构结构 b)b)特性特性11康塔尔加热丝康塔尔加热丝 2 2底座底座 3 3杜美丝引线杜美丝引线44引线环电极引线环电极 5 5湿敏陶瓷湿敏陶瓷 6RuO 6RuO2 2电极电极2 2）几种湿敏传感器的结构及特性）几种湿敏传感器的结构及特性 用用P P型半导体型半导体MgCrMgCrO O4 4及及N N型半型半导体导体TiOTiO粉粒为粉粒为原料原料,配比混合，配比混合，烧结成
21、复合型半烧结成复合型半导体陶瓷。当水导体陶瓷。当水分子吸附在表面分子吸附在表面时，其表面电阻时，其表面电阻明显下降。明显下降。在片状多孔陶瓷在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金的两表面烧结多孔金属电极模，焊接铂铑属电极模，焊接铂铑引线，封装于带筛网引线，封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。孔的方形塑料外壳内。这种传感器不须用加这种传感器不须用加热器，只需热器，只需0.5mW0.5mW的微的微小功率即可使用。已小功率即可使用。已广泛应用于轻纺、食广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、品加工、仓库管理、环境保护、家用电器环境保护、家用电器等许多领域。等许多领域。图图4-2-6 ZnO-ZnCr4-2-6 Z
22、nO-ZnCr2 2O O4 4陶瓷湿度传感器结构陶瓷湿度传感器结构1 1为网眼过滤器，为网眼过滤器，2 2为塑料外壳，为塑料外壳，3 3为陶瓷元件，为陶瓷元件，4 4为多孔电极，为多孔电极，5 5为元件支架，为元件支架，6 6为电极引线，为电极引线，7 7为玻璃固定部分，为玻璃固定部分，8 8为密封，为密封，9 9为树脂密封，为树脂密封，1010为端子。为端子。3 3）湿敏传感器的使用）湿敏传感器的使用A A电源选择电源选择 湿敏电阻必须工作于交流回路中。若湿敏电阻必须工作于交流回路中。若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交
23、流电源频率过高，将由于元件的特性变劣。采用交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，因此应以不附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50Hz50Hz，一，一般以般以1KHz1KHz为宜。对电子导电型，电源频率应低于为宜。对电子导电型，电源频率应低于50Hz50Hz。线性化线性化 一般湿敏元件的特性均为非线性，一般湿敏元件的特性均为非线性，应用中应将其线性化。应用中应将其线性化。温度补偿温度补偿 通常氧化物
24、半导体陶瓷湿敏电通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为阻湿度温度系数为0.10.10.30.3，故在测湿精度要，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。求高的情况下必须进行温度补偿。测湿范围测湿范围 电阻式湿敏元件在温度超过电阻式湿敏元件在温度超过9595RHRH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性变坏而不能复原。电若反复结露与潮解，特性变坏而不能复原。电容式传感器在容式传感器在8O8ORHRH以上高湿及以上高湿及100100RHRH以上结以上结露或潮解状态下，也难以检测。另外，切勿将露或潮解状态下，也难以检测。另外，切勿将
25、湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或嘴吹其表面。也不要用手摸或嘴吹其表面。阻容值的测量阻容值的测量测量湿度传感器阻值测量湿度传感器阻值R Rp p和容值和容值CpCp的三种电路如图的三种电路如图4-2-74-2-7所示。所示。图图4-2-7a4-2-7a为低频交流供电，为低频交流供电，其中其中R R0 0选值远大于选值远大于R Rp,p,限限制电流为微安级且恒定，制电流为微安级且恒定，输出电压与输出电压与R Rp p成正比。成正比。图图4-2-7 4-2-7 低频交流电源测低频交流电源测R RP P 为了提高灵敏度为了提高灵敏度而又限制
26、温升，可采而又限制温升，可采用图用图b b所示的低频脉冲所示的低频脉冲供电，电路中采用温供电，电路中采用温度常数与度常数与R Rp p温度系数温度系数相等的热敏电阻相等的热敏电阻R Rt t作作采样电阻，以实现温采样电阻，以实现温度补偿。图度补偿。图c c为电容值为电容值测量电路，当电源信测量电路，当电源信号频率很高时，号频率很高时，R Rp p的的影响可忽略，影响可忽略，C Cp pC CF FU U0 0U Ui i。图图4-2-7b4-2-7b）低频脉冲电源测）低频脉冲电源测RP RP c)c)高频电源测高频电源测RPRP 陶瓷元件的加热去污应切实控制在陶瓷元件的加热去污应切实控制在45
27、0450。它利用元。它利用元件的温度特性进行温度的检测和控制。当温度达到件的温度特性进行温度的检测和控制。当温度达到450450即中断加热，但由于未加热前元件吸附有水分，突然加即中断加热，但由于未加热前元件吸附有水分，突然加热会出现相当于热会出现相当于450450时的阻值，而实际温度并未达到时的阻值，而实际温度并未达到450450，因此应在通电后延迟，因此应在通电后延迟2-3s2-3s再检测电阻值。加热终再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再开始检测湿度。了，应冷却至常温再开始检测湿度。F F加热去污加热去污4 4）湿敏传感器的应用电路）湿敏传感器的应用电路图图4-2-8 交流电源湿度检测电路交流电源湿度检测电路 交流电源湿度检测交流电源湿度检测电路电路 如图如图4-2-84-2-8所示。所示。运算放大器输出经二运算放大器输出经二极管整流、电容滤波，极管整流、电容滤波，与基准电压比较以检与基准电压比较以检测湿度。用计时电路测湿度。用计时电路每隔一定时间进行一每隔一定时间进行一次加热去污。通电加次加热去污。通电加热时中止湿度测量，热时中止湿度测量，数秒后通过加热控制数秒后通过加热控制电路检测比较电路电路检测比较电路2 2的的输出，确认已达输出，确认已达450450，则停止加热去污。则停止加热去污。
