第九章氣、濕敏傳感器第一節(jié)半導(dǎo)體氣敏傳感器第二節(jié)濕敏傳感器第三節(jié)氣、濕敏傳感器應(yīng)用舉例第九章氣、濕敏傳感器第一節(jié)半導(dǎo)體氣敏傳感器1第一節(jié)半導(dǎo)體氣敏傳感器

半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的導(dǎo)電率隨水蒸氣的吸附而發(fā)生改變。其后又發(fā)現(xiàn)許多其它金屬氧化物也都具有氣敏效應(yīng)。這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料，因此稱之謂半導(dǎo)體陶瓷，簡稱半導(dǎo)瓷。由于半導(dǎo)瓷與半導(dǎo)體單晶相比具有工藝簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實(shí)用價(jià)值的敏感元件。

第一節(jié)半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器是2半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類

主要物理特性傳感器舉例工作溫度典型被測氣體電阻式電阻表面控制型氧化銀、氧化鋅室溫~450℃可燃性氣體體控制型氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、氧化錫700℃以上酒精、氧氣、可燃性氣體非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫~200℃氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場效應(yīng)晶體管150℃氫氣、硫化氫半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類主要物理特性傳感器舉例工作溫度典型3一、氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理

以半導(dǎo)瓷材料SnO2為例說明氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理。SnO2是N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)理可以用吸附效應(yīng)來解釋。

一、氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理4半導(dǎo)瓷氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和種類而改變。這類半導(dǎo)瓷氣敏電阻工作時(shí)都需加熱。器件在加熱到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，當(dāng)有氣體吸附時(shí)，吸附分子首先在表面自由地?cái)U(kuò)散。其間一部分分子蒸發(fā)，一部分分子就固定在吸附處。此時(shí)如果材料的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子將從材料奪取電子而變成負(fù)離子吸附；如果材料功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向材料釋放電子而成為正離子吸附。O2和NOx（氮類氧化物）傾向于負(fù)離子吸附，稱為氧化型氣體。H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁悆A向于正離子吸附，稱為還原型氣體。半導(dǎo)瓷氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和種類而改變。這5氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子減少，從而使材料的電阻率增大。還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子增多，材料電阻率下降。根據(jù)這一特性，就可以從阻值變化的情況得知吸附氣體的種類和濃度。氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，將使載流子增多，從而使材料的電阻率下降。還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，將使載流子減少，材料電阻率增大。也可根據(jù)這一特性，從阻值變化的情況得知吸附氣體的種類和濃度。氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子減少，從而使6電阻/kΩ100500N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)阻值變化圖氧化型還原型加熱穩(wěn)定狀態(tài)電阻/kΩ100N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)阻值變化圖氧化型加熱7二、電阻型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)電阻型氣敏器件在目前使用的比較廣泛。按其結(jié)構(gòu)，可分為燒結(jié)型，薄膜型和厚膜型三種，燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。1、燒結(jié)型燒結(jié)型氣敏器件的制作是將一定配比的敏感材料(SnO2、InO)及摻雜劑(Pt、Pb)等以水或粘合劑調(diào)和，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將已均勻混合的膏狀物滴入模具內(nèi)，用傳統(tǒng)的制陶方法進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)埋入加熱絲和測量電極，最后將加熱絲和測量電極焊在管座上，加特制外殼構(gòu)成器件。這種器件一般分為內(nèi)熱式和旁熱式兩種結(jié)構(gòu)。二、電阻型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1、燒結(jié)型8內(nèi)熱式（直熱式）器件管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)，兼作一個(gè)測量板，該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單。其缺點(diǎn)是：①熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；②測量電路和加熱電路之間相互影響；③加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下產(chǎn)生脹、縮，容易造成與材料接觸不良的現(xiàn)象。內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號1234SnO2燒結(jié)體加熱極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號內(nèi)熱式（直熱式）器件管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧9電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號旁熱式氣敏器件的管芯是在陶瓷管內(nèi)放置高阻加熱絲，在瓷管外涂梳狀金電極，再在金電極外涂氣敏半導(dǎo)體材料。這種結(jié)構(gòu)形式克服了內(nèi)熱式器件的缺點(diǎn)，使器件穩(wěn)定性有明顯提高。電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號SnO2燒結(jié)體12102、薄膜型薄膜型氣敏器件的制作首先須處理基片(玻璃石英式陶瓷)；焊接電極，之后采用蒸發(fā)或?yàn)R射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導(dǎo)體薄膜。實(shí)驗(yàn)測得SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好。薄膜型器件外形結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。這種器件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2、薄膜型113、厚膜型為解決器件一致性問題，1977年發(fā)展了厚膜型器件。它是有SnO2和ZnO等材料與3～15％(重量)的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到事先安裝有鉑電極的Al2O3基片上，以400～800℃燒結(jié)1小時(shí)制成。其結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。厚膜工藝制成的元件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)，是一種有前途的器件。3、厚膜型12以上三種氣敏器件都附有加熱器。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，加熱器能使附著在控測部分上的油霧，塵埃等燒掉，同時(shí)加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度，一般加熱到200--400℃，具體溫度視所摻雜質(zhì)不同而異。這種氣敏器件的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單，價(jià)格便宜，使用方便；對氣體濃度變化時(shí)的響應(yīng)快；即使在低濃度(3000mg/kg)下，靈敏度也很高。其缺點(diǎn)在于：穩(wěn)定性差，老化較快，氣體識別能力不強(qiáng)，各器件之間的特性差異大等。以上三種氣敏器件都附有加熱器。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，加熱器能使附著在13三、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)

（1）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，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ｒａ。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。測定固有電阻值Ｒａ時(shí),要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)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，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)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(jìn)行測量。三、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)14（3）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63％時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號tr表示。

（2）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(biāo)。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）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。（3）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間（2）氣敏元件的靈敏度15（4）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃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(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。

（5）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時(shí)開始計(jì)時(shí),直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時(shí)所需時(shí)間。（4）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率（5）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間16四、非電阻型氣敏器件1、二極管氣敏傳感器如果二極管的金屬與半導(dǎo)體的界面吸附有氣體，而這種氣體又對半導(dǎo)體的禁帶寬度或金屬的功函數(shù)有影響的話，則其整流特性就會發(fā)生變化。在硫化鎘上，薄薄地蒸發(fā)一層鈀薄膜，就形成了鈀硫化鎘二極管氣敏傳感器，這種傳感器可用來檢測氫氣。氫氣對這種二極管整流特性的影響如下:在氫氣濃度急劇增高的同時(shí)，正向偏置條件下的電流也急劇增大。所以在一定的偏置下，通過測量電流值就能知道氫氣的濃度。電流值之所以增大，是因?yàn)槲皆阝Z表面的氧氣由于氫氣濃度的增高而解吸，從而使肖特基勢壘降低的緣故。四、非電阻型氣敏器件172、MOS二極管氣敏器件金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)二極管的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖9-8所示。它是利用MOS二極管的電容-電壓特性的變化制成的MOS半導(dǎo)體氣敏器件。在P型半導(dǎo)體硅芯片上，采用熱氧化工藝生長一層厚度為50～100nm左右的SiO2層，然后再在其上蒸發(fā)一層鈀金屬薄膜，作為柵電極。SiO2層電容Cax是固定不變的，Si-SiO2界面電容Cx是外加電壓的函數(shù)。所以總電容C是柵極偏壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱為該MOS管的C-U(電容-電壓)特性。由于鈀在吸附H2以后，會使鈀的功函數(shù)降低。這將引起MOS管的C-U特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖9-8所示。由此可測定H2的濃度。92、MOS二極管氣敏器件9183、Pd-MOSFET氣敏器件這種器件是利用MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化做成的半導(dǎo)體氣敏器件。Pd-MOSFET與普通MOSFET的主要區(qū)別在于用Pd薄膜取代Al膜作為柵極。因?yàn)殁Z對H2吸附能力強(qiáng)，而H2在鈀上的吸附將導(dǎo)致鈀的功函數(shù)降低。閾電壓UT的大小與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差有關(guān)。Pd-MOSFET氣敏器件正是利用H2在鈀柵上吸附后引起閾電壓UT下降這一特性來檢測H2濃度的。

由于目前大多數(shù)氣敏器件的選擇性并不理想，而鈀膜只對H2敏感，所以Pd-MOSFET對氫有獨(dú)特的高選擇性。由于這類器件的性能尚不太穩(wěn)定，作為定量檢測氫氣濃度還存在一些問題。3、Pd-MOSFET氣敏器件由于目前大多數(shù)氣敏器件的選擇性19第二節(jié)濕敏傳感器精密儀器、半導(dǎo)體集成電路與元器件制造場所，氣象預(yù)報(bào)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。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)濕敏傳感器電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作20一、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、相對濕度和絕對濕度、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，則體積百分比為一、濕度表示法v／V×100％這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量212、相對濕度和絕對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m——待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；V——待測空氣的總體積；AH——待測空氣的絕對濕度。2、相對濕度和絕對濕度m——待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；V—22二、濕度傳感器的主要參數(shù)1、濕度量程指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度(0～100)％RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2、感濕特征量——相對濕度特性每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2－SnO2陶瓷濕敏電阻器。對于這種濕敏電阻器，低濕時(shí)阻值不能太高，否則不利于和測量系統(tǒng)或控制儀表相連接。二、濕度傳感器的主要參數(shù)2、感濕特征量——相對濕度23

3、感濕靈敏度簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1％RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。各種不同的濕度傳感器，對靈敏度的要求各不相同，對于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭討B(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。

3、感濕靈敏度244、響應(yīng)時(shí)間在一定溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間的63％作為相對濕度變化所需要的時(shí)間，也稱時(shí)間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對濕度發(fā)生變化時(shí)，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90％的相對濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

4、響應(yīng)時(shí)間255、電壓特性

當(dāng)用濕度傳感器測量濕度時(shí)，所加的測試電壓，不能用直流電壓。這是由于加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，故測試電壓采用交流電壓。右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電壓之間的關(guān)系?？梢姡瑴y試電壓小于5V時(shí)，電壓對阻——濕特性沒有影響。但交流電壓大于15V時(shí)，由于產(chǎn)生焦耳熱，對濕度傳感器的阻——濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般濕度傳感的使用電壓都小于10V。LgR/Ω0123456578420℃100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V5、電壓特性右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電26電阻－頻率特性20℃5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/Ω6、頻率特性濕度傳感器的阻值與外加測試電壓頻率的關(guān)系，如圖。在高濕時(shí)，頻率對阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。對這種濕度傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測試頻率小于103Hz時(shí)，阻值不隨使用頻率而變化，故該濕度傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕度傳感器的使用頻率上限由實(shí)驗(yàn)確定。直流電壓會引起水分子的電解，因此，測試電壓頻率也不能太低。

電阻－頻率特性20℃5V11%RH33%RH100%27三、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)境相對濕度的函數(shù)。

氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)ABB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三、電解質(zhì)濕度傳感器氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)ABB28氯化鋰是典型的離子晶體。其濕敏機(jī)理可如下解釋：高濃度的氯化鋰溶液中，Li和Cl仍以正、負(fù)離子形式存在；而溶液中的離子導(dǎo)電能力與溶液的濃度有關(guān)。實(shí)踐證明，溶液的當(dāng)量電導(dǎo)隨著溶液的增加而下降。當(dāng)溶液置于一定溫度的環(huán)境中時(shí)、若環(huán)境的相對濕度高，溶液將因吸收水份而濃度降低；反之，環(huán)境的相對濕度低，則溶液的濃度就高。因此，氯化鋰濕敏電阻的阻值將隨環(huán)境相對濕度的改變而變化，從而實(shí)現(xiàn)了濕度的測量。組合式氯化鋰的阻—濕特性03060900.010.1110相對濕度/%R/108Ω03060900.010.1110R/108Ω相對濕度/%①②③④⑤④1.0%LiCl⑤2.2%LiCl③0.5%LiCl②0.25%LiCl①PVAC氯化鋰濕度傳感器的阻—濕特性把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對濕度工作量程為20％～90％RH的濕度傳感器氯化鋰是典型的離子晶體。其濕敏機(jī)理可如下解釋：高濃度的氯化鋰29四、陶瓷濕度傳感器利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點(diǎn)：測濕范圍寬，可實(shí)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150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800℃，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡單，成本低廉。

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。

四、陶瓷濕度傳感器典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O301、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1、結(jié)構(gòu)陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電31

2、主要特性與性能

（1）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(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對濕度由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。20406080100103104105106107108相對濕度/%R/Ω2、主要特性與性能204060801001031032

（2）電阻—溫度特性是在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性。從圖可見，從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為–0.38％RH／℃。如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

20406080100103104105106107108相對濕度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻—溫度特性（2）電阻—溫度特性2040608010010310433MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH

（3）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于10s。MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性2040634（4）穩(wěn)定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器，需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn)(大氣中，溫度150℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn)(濕度大于95％RH，溫度60℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；常溫常濕試驗(yàn)[濕度(10～90)％RH，溫度(–10℃～＋40℃)]；油氣循環(huán)試驗(yàn)(油蒸氣?加熱清洗循環(huán)25萬次，交流電壓5V)。經(jīng)過以上各種試驗(yàn)，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明穩(wěn)定性比較好。

（4）穩(wěn)定性35五、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。

（一）電容式濕度傳感器

1、結(jié)構(gòu)高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。高分子薄膜上部電極下部電極五、高分子濕度傳感器高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)362、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．所以根據(jù)電容量的變化可測得相對濕度。2、感濕機(jī)理與性能37（2）響應(yīng)特性由于高分子薄膜可以做得極薄，所以吸濕響應(yīng)時(shí)間都很短，一般都小于5s，有的響應(yīng)時(shí)間僅為1s。（3）電容一溫度特性電容式高分子膜濕度傳感器的感濕特性受溫度影響非常小，在5℃～50℃范圍內(nèi),電容溫度系數(shù)約為0.06％RH/℃

相對濕度/%050100200250300350電容—濕度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1）電容—濕度特性其電容隨著環(huán)境溫度的增加而增加,基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)測試頻率為l.5MHz左右時(shí),其輸出特性有良好的線性度。對其它測試頻率,如1kHz、10kHz，盡管傳感器的電容量變化很大,但線性度欠佳。可外接轉(zhuǎn)換電路,使電容—濕度特性趨于理想直線。

（2）響應(yīng)特性相對濕度/%0501002002503003538

（二）電阻式高分子膜濕度傳感器1、結(jié)構(gòu)聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。

引線端感濕膜聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)梳狀電極基片（二）電阻式高分子膜濕度傳感器引線端感濕膜聚苯乙烯磺39

2、主要特性（1）電阻—濕度特性當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線，如圖。在整個(gè)濕度范圍內(nèi)，傳感器均有感濕特性，其阻值與相對濕度的關(guān)系在單對數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線。吸濕和脫濕時(shí)濕度指示的最大誤差值為(3～4)％RH。1K30405060708090吸濕10K100K1M10M相對濕度/%R/Ω脫濕Δ<±3%RH電阻—濕度特性2、主要特性1K30405060708090吸濕140

（2）溫度特性聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在(0～55)℃時(shí)，溫度系數(shù)為(–0.6％～–1.0％)RH/℃。

04020104608010050℃10102103聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的濕度特性25℃40℃R/Ω相對濕度/%（2）溫度特性04020104608010050℃1041

（3）其它特性聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應(yīng)時(shí)間比較快，降濕響應(yīng)時(shí)間比較慢，響應(yīng)時(shí)間在一分鐘之內(nèi)。濕滯比較小，在(1％～2％)RH之間。這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性。存儲一年后，其最大變化不超過2％RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求。高分子薄膜濕度傳感器的缺點(diǎn)是：對于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境下測濕時(shí)，器件易損壞；另外不能用于80℃以上的高溫。

（3）其它特性42

第三節(jié)氣、濕敏傳感器應(yīng)用舉例第三節(jié)氣、濕敏傳感器應(yīng)用舉例43一、氣體傳感器的應(yīng)用

分為檢測、報(bào)警、監(jiān)控等幾種類型。1、電源電路一般氣敏元件的工作電壓不高(3V～10V)，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測準(zhǔn)確性。2、輔助電路由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。如采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。下圖是一溫度補(bǔ)償電路一、氣體傳感器的應(yīng)用2、輔助電路由于氣敏元件自身44當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。BZ~U氣敏傳感器氖管蜂鳴器NTC電阻WR1R2R3R4R5R6SCR右圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時(shí)電路。剛通電時(shí)，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，蜂鳴器(BZ)不發(fā)出報(bào)警。當(dāng)通電1～2min后，阻值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。

BZ氣敏傳感器PTC電阻R2R1R3R4BCR~UB蜂鳴器氖管當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)453、檢測工作電路

這是氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。

下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動其工作而發(fā)出報(bào)警信號。~220VBZ氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR3、檢測工作電路~220VBZ氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電46下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖。

在此電路中，BG1、BG2的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好選用差分對管。采用這種差分電路，檢測氣體的靈敏度可達(dá)100×10－6。

K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VμA

差分式可燃性氣體檢測儀電路R1RQ下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖。K1W1147下圖是家用煤氣(CO)安全報(bào)警電路。一部分是煤氣報(bào)警器，在煤氣濃度達(dá)到危險(xiǎn)界限前發(fā)生警報(bào)；另一部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成對人體無害的二氧化碳。IC1IC2JBG3~220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED6213748521387B1B2D7煤氣安全報(bào)警器原理圖下圖是家用煤氣(CO)安全報(bào)警電路。IC1IC2JBG3~248二、濕度傳感器的測量電路

（一）檢測電路的選擇1、電源選擇一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效。電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動實(shí)現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準(zhǔn)確性。

二、濕度傳感器的測量電路492．溫度補(bǔ)償濕度傳感器具有正或負(fù)的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)大小不一，工作溫區(qū)有寬有窄。所以要考慮溫度補(bǔ)償問題。對于半導(dǎo)體陶瓷傳感器，其電阻與溫度的的關(guān)系一般為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通常其溫度關(guān)系屬于NTC型，即H：相對濕度；T：絕對溫度；R0：在T=0℃相對濕度H=0時(shí)的阻值；A：濕度常數(shù)；B：溫度常數(shù)。溫度系數(shù)＝濕度系數(shù)＝濕度溫度系數(shù)＝若傳感器的濕度溫度系數(shù)為0.07％RH/℃，工作溫度差為30℃，測量誤差