第十章 氣敏濕敏傳感器

第十章氣濕敏傳感器第一節(jié)氣敏傳感器

第二節(jié)濕敏傳感器

第一節(jié)氣敏傳感器

接觸燃燒式氣敏元件金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件氧化鋯氣敏元件一、接觸燃燒式氣體傳感器1、檢測(cè)原理

可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大?？扇夹詺怏w燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)。空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。AF2F1MR1R2CBDW2W1E0F1是檢測(cè)元件；F2是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)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(shí)，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測(cè)元件F1與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。

ΔRF與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例,可用下式表示如果令則有ρ—檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)；ΔT—由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測(cè)元件的溫度增加值；ΔH—可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量；C—檢測(cè)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)]；α—由檢測(cè)元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。ρ，C和α在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感應(yīng)特性曲線如圖。接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)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=k?m?b即A、B兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測(cè)得A、B間的電位差E，(b)敏感元件外形圖(a)元件的內(nèi)部示意圖觸媒Al2O3載體Pt絲元件(0.8-2)mm

2、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)二、半導(dǎo)體氣體傳感器氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢(shì)壘模型。燒結(jié)型SnO2氣敏元件

SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤１μm)的SnO2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。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。氣體敏感元件電阻值RC與空氣中被測(cè)氣體的濃度C成對(duì)數(shù)關(guān)系：n：與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)m：氣體分離度RC1：氣敏元件在濃度為C1時(shí)的電阻RC2：氣敏元件在濃度為C2時(shí)的電阻（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào)由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。

（2）旁熱式SnO2氣敏元件加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)7100目不銹鋼網(wǎng)?18.4?123123456745°45°氣敏元件外形和引出線分布加熱絲放置在陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量電極，在金屬電極上涂有SnO2等材料。三、氧化鋯氧氣傳感器在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15％mol左右時(shí),離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的ZrO2－Y2O3固溶體，離子活性較高，在較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固體電解質(zhì)材料，稱為YSZ材料。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/%molZrO2中雜質(zhì)含量與電導(dǎo)關(guān)系離子電導(dǎo)lgα/Ω-1cm-1四、氣體傳感器應(yīng)用

實(shí)用酒精測(cè)試儀濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對(duì)電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機(jī)高分子感濕膜。有機(jī)高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。單晶半導(dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點(diǎn)是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。第二節(jié)濕敏傳感器

一、濕度表示法空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度、露點(diǎn)（霜點(diǎn)）等表示法。

1.質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為v／V×100％這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。m／M×100％在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為2、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度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(p)。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(ps)。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(duì)濕度:m——待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量；V——待測(cè)空氣的總體積；ρv——待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度。絕對(duì)濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為二、電解質(zhì)濕度傳感器電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對(duì)濕度的函數(shù)。

氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)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)導(dǎo)電機(jī)理：電阻值隨環(huán)境濕度變化而變化。03060900.010.1110R/108Ω相對(duì)濕度/%①②③④⑤④1.0%LiCl⑤2.2%LiCl③0.5%LiCl②0.25%LiCl①PVAC氯化鋰濕度傳感器的阻—濕特性組合式氯化鋰的阻—濕特性03060900.010.1110相對(duì)濕度/%R/108Ω把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對(duì)濕度工作量程為20％～90％RH的濕度傳感器。三、陶瓷濕度傳感器

典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4－TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。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(fù)特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性量為電容。

1、結(jié)構(gòu)該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān),相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線2、主要特性與性能電阻一濕度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)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(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00％RH時(shí)，阻值從107Ω下降到104Ω，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%R/Ω四、高分子濕度傳感器用有機(jī)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，介電常數(shù)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，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開關(guān)特性，制成了結(jié)露傳感器。

1、結(jié)構(gòu)高分子薄膜上部電極下部電極2、感濕機(jī)理與性能電容式高分子濕度傳感器，其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過，水的介電系數(shù)比較大，室溫時(shí)約為79。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化。隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加．所以根