第9章气敏与湿敏传感器.ppt

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1、第9章气敏和湿敏传感器9.1半导体气敏传感器9.2半导体湿敏传感器以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、重量轻、成本低、便于集成化和智能化的优点，但是由于特性的分散性、温度不稳定性和易受干扰的缺点，在某些情况下又限制了半导体传感器的应用。本章将介绍半导体气敏传感器和湿敏传感器。9.1半导体气敏传感器气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与

2、计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。(1)能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。(2)对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。(3)性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。(4)使用、维护方便，价格便宜等。气敏传感器的性能必须满足下列条件：9.1.1半导体气敏传感器的分类按材料半导体陶瓷材料单晶半导体按物理特性电阻型利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分。按半导体与气体相互作用表面电阻控制型内部化学成分不变

3、体电阻控制型半导体晶格发生变化非电阻型利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。9.1.2电阻型半导体气敏传感器1.材料和结构许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡(SnO2)制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。按其结构可分为烧结型、

4、薄膜型和厚膜型，如图所示：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到200℃～400℃。2.工作原理电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。以半导瓷材料SnO2为例N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻

5、变化曲线当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min，然后上升，经2min～10min后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定：被测气体是氧化性气体(如O2和NOx)，被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精等)，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中

6、载流子电子增多，因而电阻值下降。可见：1.防止酒后开车控制器9.1.3气敏传感器的应用2.油烟检测9.2半导体湿敏传感器湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度(通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度)变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。9.2.1概述1.湿度表示法所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量，表明大气的干、湿程度，常用绝对湿度和相对湿度表示。1)绝对湿度(AbsoluteHumidity)绝对湿度是在一定的温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量

7、，一般用符号AH表示，其定义为2)相对湿度(RelativeHumidity)相对湿度是指被测气体中的水蒸气气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比。相对湿度给出大气的潮湿程度，因此，它是一个无量纲的值，一般用符号%RH表示，其表达式为①按元件输出的电学量分类可分为：电阻式、电容式、频率式等。②按其探测功能可分为：相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种。③按材料则可分为：陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式等。2.湿敏传感器的分类水亲和力型湿敏传感器非水亲和力型湿敏传感器水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部

8、的这种特性称为水分子亲和力，水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如LiCl、ZnO材料的阻抗发生变化。表9-2湿敏传感器分类9.2.2湿敏电阻的类型及原理1.氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是典型的电解质湿敏元件，利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。典