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(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。

F1是检测元件；F2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100mA～200mA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。 A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0

ΔRF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 ΔRF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 ρ—检测元件的电阻温度系数； ΔT—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； ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量； C—检测元件的热容量； Q—可燃性气体的燃烧热； m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]； α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。

E=k•m•b ρ，C和α在一定条件下，都是确定的常数。则 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， 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。 接触燃烧式气敏元件的感应特性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 50 100 150 输 出 电 压 / mV 丙烷 乙醇 异丁烷 丙酮 环己烷 气体浓度(XLEL)

2、接触燃烧式气敏元件的结构 触媒 Al2O3载体 Pt丝 元件 (0.8-2)mm (b)敏感元件外形图 (a)元件的内部示意图

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)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≤１μm)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) 3 4 SnO2烧结体 加热极兼电极 (a)结构 (b)符号

（2）旁热式SnO2气敏元件 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。 加热器电阻值一 般为30Ω～40Ω 电极 加热器 瓷绝缘管 旁热式气敏器件结构及符号 SnO2烧结体 1 2 3 4 5 6 （a）结构 （b）符号 7 100目不锈钢网 Ø18.4 Ø1 23 1 2 3 4 5 6 45° 气敏元件外形和引出线分布

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15％mol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ZrO2－Y2O3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解质氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。 5 10 15 20 1 2 3 4 Yb2O3 Y2O3 CaO 氧化物添加量/% mol ZrO2中杂质含量与电导关系 离子电导lgα/Ω-1cm-1

四、气体传感器应用 实用酒精测试仪

第二节 湿敏传感器 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。

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 m／M×100％ 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 v／V×100％ 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。

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(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: 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 m——待测空气中水蒸气质量；V——待测空气的总体积； ρv——待测空气的绝对湿度。

电解质导电机理：电阻值随环境湿度变化而变化。 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。 电解质导电机理：电阻值随环境湿度变化而变化。 氯化锂湿度传感器的结构 A B B 钯丝 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒 电解质氯化锂湿度传感器最为典型

把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为20％～90％RH的湿度传感器。 30 60 90 0.01 0.1 1 10 R/108Ω 相对湿度/% ① ② ③ ④ ⑤ ④1.0 % LiCl ⑤ 2.2%LiCl ③ 0.5% LiCl ② 0.25% LiCl ① PVAC 氯化锂湿度传感器的阻—湿特性 组合式氯化锂的阻—湿特性 30 60 90 0.01 0.1 1 10 相对湿度/% R/108Ω 把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为20％～90％RH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MgCr2O4－TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO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 护圈电极 感湿陶瓷 氧化钌电极 加热器 基板 电极引线

2、主要特性与性能 电阻一湿度特性 MgCr2O4－TiO2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100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相对湿度/% R/Ω

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 高分子薄膜 上部电极 下部电极

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。 相对湿度/% 50 100 200 250 300 350 电容—湿度特性 C/pF （f=1.5MHZ）

六、湿敏传感器应用 直读式湿度计