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1、第十章 气湿敏传感器,第一节 气敏传感器,第二节 湿敏传感器,第一节 气敏传感器,接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件,一、接触燃烧式气体传感器 1、检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。可燃性气体燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。,F1是检测元件；F
2、2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,RF与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例,可用下式表示,如果令,则有,检测元件的电阻温度系数； T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； H可燃性气体接触燃烧的发热量； C检测元件的热容量； Q可燃性
3、气体的燃烧热； m可燃性气体的浓度(Vol)； 由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。,，C和在一定条件下，都是确定的常数。则,并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,E=kmb,即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、B间的电位差E，,(b)敏感元件外形图,(a)元件的内部示意图,2、接触燃烧式气敏元件的结构,二、半导体气体传感器 气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)
4、发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。,烧结型SnO2气敏元件 SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径m)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。,气体敏感元件电阻值RC与空气中被测气体的浓度C成对数关系：,n：与气体检测灵敏度有关 m：气体分离度,RC1：气敏元件在浓度为C1时的电阻 RC2：气敏元件在浓度为C2时的电阻,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件
5、),由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。,（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一 般为3040,加热丝放置在陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量电极，在金属电极上涂有SnO2等材料。,三、氧化锆氧气传感器 在固体电解质中，作为载流子传导电流的主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。 纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100下，为正方晶系，2500下，为立
6、方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。,在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15mol左右时,离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的ZrO2Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都用这种材料制作固定电
7、解质氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。,四、气体传感器应用,实用酒精测试仪,湿度传感器依据使用材料分类：,电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件
8、和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,第二节 湿敏传感器,一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。 1.质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为,vV100,这两种方法统称为水蒸气百分含量法。,mM100,在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为,2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值
9、(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度:,m待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积； v待测空气的绝对湿度。,绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为,二、电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。,电解质氯化锂湿度传感器最为典型,电解质导电机理：电阻值随环境湿度变化而变化。,把不同感湿范围的单片湿度传感器
10、组合起来,可制成相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器。,三、陶瓷湿度传感器,典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。,1、结构 该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关, 相当于一
11、种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。,陶瓷湿敏元件结构图,2、主要特性与性能 电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100RH时，阻值从107下降到104，即变化了三个数量级。,四、高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制
12、成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。 1、结构,2、感湿机理与性能 电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加所以根据电容量的变化可测得相对湿度。,电容湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系。当测试频率为l.5MHz左右时,其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率,如1kHz、10kHz，尽管传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转换电路,使电容湿度特性趋于理想直线。,直读式湿度计,六、湿敏传感器应用,