[信息與通信]第十章氣敏濕敏傳感器

1、第10章 氣敏濕敏傳感器 第十章第十章 氣濕敏傳感器氣濕敏傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 氣敏傳感器氣敏傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 濕敏傳感器濕敏傳感器 第10章 氣敏濕敏傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 氣敏傳感器氣敏傳感器 l接觸燃燒式氣敏元件l金屬氧化物半導體氣敏元件l氧化鋯氣敏元件工作原理、主要類型及應用第10章 氣敏濕敏傳感器 一、接觸燃燒式氣體傳感器一、接觸燃燒式氣體傳感器1 1、檢測原理、檢測原理 可燃性氣體可燃性氣體(h(h2 2、coco、chch4 4等等) )與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生反應熱反應，產(chǎn)生反應熱( (無焰接觸燃燒熱無焰接觸燃燒熱) )，使得作為敏感材料

2、的鉑絲，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的溫度升高，電阻值相應增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高濃度都不太高( (低于低于1010) )，可燃性氣體可以完全燃燒，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關與可燃性氣體的濃度有關?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反。空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應應( (燃燒燃燒) )產(chǎn)生的反應熱量產(chǎn)生的反應熱量( (燃燒熱燃燒熱) )愈多，鉑絲的溫度變化愈多，鉑絲的溫度變化( (增高增高) )愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測定作為敏感件的鉑愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只

3、要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值絲的電阻變化值(r)(r)，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這際應用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應特性。樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應特性。 第10章 氣敏濕敏傳感器 接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中f1是檢測元件；是檢測元

4、件；f2是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，要求在度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，要求在f1和和f2上保持上保持100ma200ma的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件f1上發(fā)生氧化反應上發(fā)生氧化反應( (接觸燃燒接觸燃燒) )所需要的熱量。當檢測元件所需要的熱量。當檢測元件f1與可與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用( (燃燒燃燒) )，釋放出熱量，使，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值

5、相應增大，橋式電路不再平衡，得檢測元件的溫度上升，電阻值相應增大，橋式電路不再平衡，在在a、b間產(chǎn)生電位差間產(chǎn)生電位差e。 af2f1mr1r2cbdw2w1e02110211rrrrrrrreeffffffffffrrrrrrrree12212110因為rf很小，且rf1r1=rf2r2 第10章 氣敏濕敏傳感器 這樣，在檢測元件f1和補償元件f2的電阻比rf2/rf1接近于1的范圍內(nèi)，a，b兩點間的電位差e，近似地與rf成比例。在此，rf是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應熱)成比例的。即rf可用下式表示 212110ffrrrrre

6、kfffrrrke12cqmchtrf如果令則有檢測元件的電阻溫度系數(shù)；t由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加值；h可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； c檢測元件的熱容量； q可燃性氣體的燃燒熱；m可燃性氣體的濃度(vol)；由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。第10章 氣敏濕敏傳感器 ，c和和的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結構、表面處理方法的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結構、表面處理方法等因素有關。等因素有關。q是由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件是由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則下，都是確定的常數(shù)。則cqba、b間的電位差間的電位差e，并由此求得，

7、并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應的電路配合，就能在空氣中相應的電路配合，就能在空氣中當可燃性氣體達到一定濃度時，當可燃性氣體達到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號，其感應特性自動發(fā)出報警信號，其感應特性曲線如圖。曲線如圖。接觸燃燒式氣敏元件的感應特性00.20.40.60.81.050100150輸出電壓/mv丙烷乙醇異丁烷丙酮環(huán)己烷氣體濃度(xlel)e=kmb即即a、b兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在成比例。如果在a、b兩點間連接電流計或電壓計，就可以兩點間連接電流計或電壓計，就可以測得測得第10章 氣敏濕敏傳

8、感器 2 2、接觸燃燒式氣敏元件的結構、接觸燃燒式氣敏元件的結構 用高純的鉑絲用高純的鉑絲, ,繞制成線圈繞制成線圈, ,為了使線圈具有適當?shù)臑榱耸咕€圈具有適當?shù)淖柚底柚? (12),),一般應繞一般應繞10圈以上。在線圈外面涂以氧圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂涂覆層覆層, ,干燥后在一干燥后在一定溫度下燒結成球狀多孔體。將燒結后的小球定溫度下燒結成球狀多孔體。將燒結后的小球, ,放在貴放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中金屬鉑、鈀等的鹽溶液中, ,充分浸漬后取出烘干。然后充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫熱處理經(jīng)過高溫熱處理, ,使在氧化鋁使在氧

9、化鋁( (氧化鋁一氧化硅氧化鋁一氧化硅) )載體上載體上形成貴金屬觸媒層形成貴金屬觸媒層, ,最后組裝成氣體敏感元件。除此之最后組裝成氣體敏感元件。除此之外外, ,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀充分混合后配成膏狀, ,涂覆在鉑絲繞成的線圈上涂覆在鉑絲繞成的線圈上, ,直接燒直接燒成后備用。另外，作為補償元件的鉑線圈成后備用。另外，作為補償元件的鉑線圈, ,其尺寸、阻其尺寸、阻值均應與檢測元件相同。并且值均應與檢測元件相同。并且, ,也應涂覆氧化鋁或者氧也應涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層化硅載體層, ,只是無須浸漬貴金屬鹽溶

10、液或者混入貴金只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體屬觸媒粉體, ,形成觸媒層而已。形成觸媒層而已。 第10章 氣敏濕敏傳感器 觸媒al2o3載體pt絲元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形圖接觸燃燒式氣敏元件結構示意圖(a)元件的內(nèi)部示意圖 第10章 氣敏濕敏傳感器 二、半導體氣體傳感器二、半導體氣體傳感器氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性( (例如電導率例如電導率) )發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：發(fā)生變化。目前流行的定性

11、模型是：原子原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。1 1、半導體氣敏元件的特性參數(shù)、半導體氣敏元件的特性參數(shù) （1 1）氣敏元件的電阻值）氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件氣敏元件(電阻型電阻型)的固有電阻值，表示為的固有電阻值，表示為。一般其。一般其固有電阻值在固有電阻值在(10103 310105 5)范圍。范圍。測定固有電阻值測定固有電阻值時時, 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有

12、的氣體成由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量。差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量。第10章 氣敏濕敏傳感器 （2）氣敏元件的靈敏度）氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度感元件的電參量（如電阻型氣敏元

13、件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關系。表示方法有三種之間的依從關系。表示方法有三種 （a a）電阻比靈敏度）電阻比靈敏度k k（b）氣體分離度）氣體分離度r rc1c1氣敏元件在濃度為氣敏元件在濃度為cccc的被測氣體中的阻值：的被測氣體中的阻值： r r2 2氣敏元件在濃度為氣敏元件在濃度為c2c2的被測氣體中的阻值。的被測氣體中的阻值。通常，通常，c c1 1c c2 2。（c）輸出電壓比靈敏度）輸出電壓比靈敏度kvv va a: :氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；v vg g: :氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，

14、負載電阻的電壓輸出氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出 gavvvk 21ccrrra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值；rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值garrk 第10章 氣敏濕敏傳感器 （4）氣敏元件的響應時間）氣敏元件的響應時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為時為止，所需時間稱為氣敏元件在

15、此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表表示。示。 agiaggigvvvvvvs （3）氣敏元件的分辨率）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率能力。氣敏元件分辨率s表示為表示為va氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓vgi氣敏元件在氣敏元件在i種氣體濃度

16、為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓第10章 氣敏濕敏傳感器 （5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在氣敏元件一般工作在200200以上高溫。為氣敏元件提以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻供必要工作溫度的加熱電路的電阻( (指加熱器的電阻值指加熱器的電阻值) )稱為加熱電阻，用稱為加熱電阻，用r rh h表示。直熱式的加熱電阻值一般小表示。直熱式的加熱電阻值一般小于于55；旁熱式的加熱電阻大于；旁熱式的加熱電阻大于2020。氣敏元件正常工。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用作所

17、需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用表示。表示。一般在一般在(0.5(0.52.0)2.0)w范圍。范圍。 （6）氣敏元件的恢復時間）氣敏元件的恢復時間表示在工作溫度下表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度被測氣體由該元件上解吸的速度,一一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的到在潔凈空氣中阻值的63時所需時間。時所需時間。第10章 氣敏濕敏傳感器 （7）初期穩(wěn)定時間）初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件, ,因表面吸附空因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體氣中的水分或

18、者其他氣體, ,導致其表面狀態(tài)的變化，在加導致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后上電負荷后, ,隨著元件溫度的升高隨著元件溫度的升高, ,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此, ,使氣敏元件恢復正常工作狀態(tài)使氣敏元件恢復正常工作狀態(tài), ,需要一定的時間需要一定的時間, ,稱為氣稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。一般電阻型氣敏元件敏元件的初期穩(wěn)定時間。一般電阻型氣敏元件, ,在剛通電在剛通電的瞬間的瞬間, ,其電阻值將下降其電阻值將下降, ,然后再上升然后再上升, ,最后達到穩(wěn)定。由最后達到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達穩(wěn)定所需時間開始通電直到氣敏元件阻值到達穩(wěn)定所需時間, ,稱為初期稱為初期穩(wěn)定

19、時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長態(tài)的函數(shù)。存放時間越長, ,其初期穩(wěn)定時間也越長。在一其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下般條件下, ,氣敏元件存放兩周以后氣敏元件存放兩周以后, ,其初期穩(wěn)定時間即可其初期穩(wěn)定時間即可達最大值達最大值。 第10章 氣敏濕敏傳感器 2 2、燒結型、燒結型snosno2 2氣敏元件氣敏元件sno2系列氣敏元件有系列氣敏元件有燒結型燒結型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三種。燒結型應用三種。燒結型應用最廣泛性。最廣泛性。其敏感體用粒徑很小其敏感體用粒徑很小( (平均粒徑平均粒徑m) )的的

20、sno2粉體為基本材料粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測測可燃的還原性可燃的還原性氣體，其工作溫度約氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分。根據(jù)加熱方式，分為為直接加熱式直接加熱式和和旁熱式旁熱式兩種兩種。（1）直接加熱式）直接加熱式sno2氣敏元件氣敏元件(直熱式氣敏元件直熱式氣敏元件)內(nèi)熱式氣敏器件結構及符號1234sno2燒結體加熱極兼電極(a)結構4321(b)符號由芯片由芯片( (敏感體和加熱器敏感體和加熱器) )，基座，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容

21、量小、穩(wěn)定性差，測量電其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相路與加熱電路間易相互干擾，加互干擾，加熱器與熱器與sno2基體間由于熱膨脹系基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導致接觸不良，造成數(shù)的差異而導致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。元件的失效，現(xiàn)已很少使用。 第10章 氣敏濕敏傳感器 （2）旁熱式）旁熱式sno2氣敏元件氣敏元件加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結構及符號sno2燒結體123456（a）結構（b）符號7100目不銹鋼網(wǎng)18.412312345674545氣敏元件外形和引出線分布第10章 氣敏濕敏傳感器 三、氧化鋯氧氣傳感器三、氧化鋯氧氣傳感器

22、 固體電解質(zhì)是具有離子導電性能的固體物質(zhì)。一般認為，固體物質(zhì)(金屬或半導體)中，作為載流子傳導電流的是正、負離子?？墒?，在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導電流的，卻主要是離子。二氧化鋯（zro2）在高溫下(但尚遠未達到熔融的溫度)具有氧離子傳導性。 純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100下，為正方晶系，2500下，為立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結構，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量

23、而變化。 第10章 氣敏濕敏傳感器 在二氧化鋯中添加氧化鈣、三在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后氧化二釔等添加物后,其離子電其離子電導都將發(fā)生改變。尤其是在氧導都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為化鈣添加量為1515molmol左右時左右時,離離子電導出現(xiàn)極大值。但是，由子電導出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的添加三氧化二釔的zrozro2 2y y2 2o o3 3固固溶體，離子活性較高，在較低溶體，離子活性較高，在較低的溫度

24、下，其離子電導都較大，的溫度下，其離子電導都較大，如圖。因此，通常都用這種材如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加添加y2o3的的zro2固體電解質(zhì)材固體電解質(zhì)材料，稱為料，稱為ysz材料。材料。51015201234yb2o3y2o3cao氧化物添加量/% molzro2中雜質(zhì)含量與電導關系離子電導lg/-1cm-1第10章 氣敏濕敏傳感器 zro2系固體電解質(zhì)的離子電導與溫度關系56008001000120010-110-210-310-4123467t /離子電導/-1cm-11 添加8%molyb2o3 ；2 zro0.92 sc2o30.0

25、4 yb2o30.04 3 zro2 ；4 添加10%moly2o3 ；5 添加13%molcao6 添加15%moly2o3 ；7 添加10%molceo第10章 氣敏濕敏傳感器 四、氣體傳感器應用四、氣體傳感器應用 實實用用酒酒精精測測試試儀儀 a101112131415161718139678r32.7 kr43.9 k24r11.8 krp20 k4613 5 vtgs 812255vd10vd6紅 色vd5vd1綠 色第10章 氣敏濕敏傳感器 當氣體傳感器探測不到酒精時，加在a的第5腳電平為低電平；當氣體傳感器探測到酒精時，其內(nèi)阻變低，從而使a的第5腳電平變高。a為顯示推動器，它共有

26、10個輸出端，每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管，顯示推動器a根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點亮發(fā)光二極管的級數(shù)，酒精含量越高則點亮二極管的級數(shù)越大。上面5個發(fā)光二極管為紅色，表示超過安全水平。 下面5個發(fā)光二極管為綠色，代表安全水平，酒精含量不超過0.05%。 第10章 氣敏濕敏傳感器 精密儀器、半導體集成電路與元器件制造場所，氣象預報、醫(yī)療精密儀器、半導體集成電路與元器件制造場所，氣象預報、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應用。衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應用。濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上：以氯化鋰

27、為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導電，隨濕度升高氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導電，隨濕度升高而電阻減小。而電阻減小。陶瓷型陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成?？滋沾?。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。高分子型高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極, ,通過浸漬或涂覆通過浸漬或涂覆, ,使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種使其在基板上附著一

28、層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種類也很多類也很多, ,工作原理也各不相同。工作原理也各不相同。單晶半導體型單晶半導體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成。：所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成。制成二極管濕敏器件和制成二極管濕敏器件和mosfetmosfet濕度敏感器件等。其特點是易于和濕度敏感器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。半導體電路集成在一起。 第二節(jié)第二節(jié) 濕敏傳感器濕敏傳感器 第10章 氣敏濕敏傳感器 一、濕度表示法一、濕度表示法 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和

29、體積百分比、相是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對濕度和絕對濕度、露點（霜點）等表示法。對濕度和絕對濕度、露點（霜點）等表示法。 1 1、質(zhì)量百分比和體積百分比、質(zhì)量百分比和體積百分比 質(zhì)量為質(zhì)量為m的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則，則質(zhì)量百分比為質(zhì)量百分比為vv100這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。mm100在體積為在體積為v的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則，則體積百分比為體積百分比為第10章 氣敏濕敏傳感器 2 2、相對濕度和絕對濕度、相對濕度和絕對濕度 水蒸氣壓是

30、指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓分壓(p)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度絕對濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為絕對濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為%100spprhvmvm待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；待測空氣中水蒸氣質(zhì)量

31、；v待測空氣的總體積；待測空氣的總體積；v待測空氣的絕對濕度。待測空氣的絕對濕度。如果把待測空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合如果把待測空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得出：氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得出：rtpmp：空氣中水蒸氣分壓；m：水蒸氣的摩爾質(zhì)量r：理想氣體常數(shù)； t：空氣的絕對溫度。第10章 氣敏濕敏傳感器 3 3、露（霜）點、露（霜）點 水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的蒸氣壓下，溫度越低，則

32、空氣的水蒸氣壓水蒸氣壓與同溫度下水的與同溫度下水的飽和蒸飽和蒸氣壓氣壓差值越小。當空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣差值越小。當空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結成向液相轉(zhuǎn)化而凝結成露珠露珠，相對濕度為，相對濕度為100rh。該溫度，稱為該溫度，稱為5010203040-1001020304050溫度溫度/10%rh露點露點/90%rh80%rh70%rh60%rh50%rh40%rh20%rh30%rh空氣的空氣的露點溫度露點溫度，簡，簡稱露點。如果這一

33、溫稱露點。如果這一溫度低于度低于0時，水蒸時，水蒸氣將結霜氣將結霜，又稱為又稱為霜霜點溫度點溫度。兩者統(tǒng)稱為。兩者統(tǒng)稱為露點。空氣中水蒸氣露點?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c越低，壓越小，露點越低，因而可用露點表示空因而可用露點表示空氣中的濕度。氣中的濕度。第10章 氣敏濕敏傳感器 三、電解質(zhì)濕度傳感器三、電解質(zhì)濕度傳感器 電解質(zhì)是以離子形式導電的物質(zhì)，分為電解質(zhì)是以離子形式導電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)和和液體電液體電解質(zhì)解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動的正、負離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的離解為自

34、由移動的正、負離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導率與溶液的濃度有關，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是電導率與溶液的濃度有關，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對濕度的函數(shù)。環(huán)境相對濕度的函數(shù)。 氯化鋰濕度傳感器的結構ab b 鈀絲 a 涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型03060900.010.1110r/108相對濕度/% 1.0 % licl 2.2%licl 0.5% licl 0.25% licl pvac氯化鋰濕度傳感器的阻濕特性組合式氯化鋰的阻濕特性030 60 900.010.1110相對濕度/%r/108把不同感濕范圍的單

35、片濕把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來度傳感器組合起來, ,可制成可制成相對濕度工作量程為相對濕度工作量程為2090rh的濕度傳感器的濕度傳感器第10章 氣敏濕敏傳感器 四、陶瓷濕度傳感器四、陶瓷濕度傳感器 利用半導體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有利用半導體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點：測濕范圍寬，可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；許多優(yōu)點：測濕范圍寬，可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150150以下，以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達而高溫濕度傳感器的工作溫度可達800800，響應時間較，響應時間較短，

36、精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。 典型產(chǎn)品是燒結型陶瓷濕敏元件是典型產(chǎn)品是燒結型陶瓷濕敏元件是mgcr2o4tio2系。此外，還有系。此外，還有tio2-v2o5系、系、znoli2ov2o5系、系、zncr2o4系、系、zro2mgo系、系、fe3o4系、系、ta2o5系系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除fe3o4外，都為負特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對濕外，都為負特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕

37、度傳感器，它的感濕特性量為電容。感濕特性量為電容。 第10章 氣敏濕敏傳感器 1 1、結構、結構該濕度傳感器的感濕體是該濕度傳感器的感濕體是mgcr2o4-tio2系多孔陶瓷。這種多孔陶系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔瓷的氣孔大部分為粒間氣孔, ,氣孔直徑隨氣孔直徑隨tio2添加量的增加而增大。添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關粒間氣孔與顆粒大小無關, , 相當于一種開口毛細管相當于一種開口毛細管, ,容易吸附水分。容易吸附水分。材料的主晶相是材料的主晶相是mgcr2o4相相, ,此外此外, ,還有還有tio2相相等等, ,感濕體是一個感濕體是一個多晶多相的混合物。多晶多

38、相的混合物。陶陶瓷瓷濕濕敏敏元元件件結結構構圖圖護圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線第10章 氣敏濕敏傳感器 2 2、主要特性與性能、主要特性與性能 （1 1）電阻一濕度特性）電阻一濕度特性 mgcr2o4tio2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對數(shù)的坐標中，電阻數(shù)規(guī)律下降。在單對數(shù)的坐標中，電阻濕度特性近似濕度特性近似呈線性關系。當相對濕度由呈線性關系。當相對濕度由0變?yōu)樽優(yōu)?00rh時，阻值從時，阻值從107下降到下降到104，即變化了三個數(shù)量級。，即變化了三個數(shù)量級。20406080100103104105106107108相對濕度/%r/第10章 氣敏濕敏傳感器 五、高分子濕度傳感器五、高分子濕度傳感器 用有機高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性用有機高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)介電常數(shù)明顯改變，制成明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻電阻明顯變化，明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹