传感器与检测技术 第九章

制造半导体陶瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的
金属氧化物。有些半导体陶瓷材料的电阻率随湿度增加 而下降，称为负特性湿敏半导体陶瓷，还有一类半导体 陶瓷材料的电阻率随湿度增大而增大，称为正特性湿敏 半导体陶瓷。
半导体陶瓷湿敏电阻按其结构可以分为烧结型和涂 覆膜型两大类。
S108 湿敏电容器
9.2.3
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变化曲线
可见：
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，使元件中载流子电子增多，因而 电阻值下降。
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。
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。 典型的氯化锂湿敏传感器有登莫式和浸渍式两种：
环境相对湿度高，LiCl溶液吸收水分，浓度降低，电阻率 增加 环境相对湿度低，LiCl溶液浓度增加，电阻率下降 可见，LiCl湿敏电阻的阻值随环境相对湿度的改变而变 化，从而实现湿度测量。
2. 湿度控制电路
湿度控制电路
3. 汽车后窗玻璃自动去湿装置
汽车后窗玻璃自动去湿装置
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。
按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图所示：
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。

表面电阻控制型
内部化学成分不变

体电阻控制型
半导体晶格发生变化
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。
湿敏传感器的应用
1. 自动气象站湿度测报
湿度传感器广泛用于自动气象站的遥测装置上，采 用耗电量很小的湿度传感器可以由蓄电瓶供电长期自动 工作，几乎不需要维护。用于无线电遥测自动气象站的 湿度测报原理方框图如图所示。
氯化锂湿度传感器将被测湿度转换为电阻值，R—f转 换电路将此电阻值R转换为相应的频率f，再经自校准器控 制使频率f与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自 动记录仪上。如果需要远距离数据传输，则还需要将得到 的数字量编码，调制到无线电载波上发射出去。
9.1.3
气敏传感器的应用
1. 防止酒后开车控制器
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(Absolute Humidity) 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，一般用符号AH表示，其 定义为
mv AH V
2) 相对湿度(Relative Humidity)
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
Pv RH 100% Pw
2. 湿敏传感器的分类 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。
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
(4) 使用、维护方便，价格便宜等。
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。
பைடு நூலகம்

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。

按半导体与气体相互作用
应时间较慢，电源必须用交流，以避免出现极化。
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型的传感器，根据
微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电 导率改变这一原理检测湿度。
由于具有使用寿命长，可在恶劣条件下工作，响应 时间短，测量精度高，测温范围宽(常温湿敏传感器的工 作温度在150℃以下，高温湿敏传感器的工作温度可达 800℃)，工艺简单，成本低廉等优点，所以是目前应用 较为广泛的湿敏传感器。
氯化锂浓度不同的湿敏传感器，适用于不同的相
对湿度范围。浓度低的氯化锂湿敏传感器对高湿度 敏感，浓度高的氯化锂湿敏传感器对低湿度敏感。 一般单片湿敏传感器的敏感范围，仅在30%RH左右， 为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂 含量不同的湿敏传感器组合使用，实现整个湿度范 围的湿度测量。
优点：滞后小，不受测试环境风速的影响，检测精度 一般可达到±5%。 缺点：单片氯化锂湿敏传感器测湿范围窄，而多片组 合体积大，成本高，不抗污染，怕结露，耐热性差，难于 在高湿和低湿的环境中使用，工作温度不高、寿命短、响
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计算机或单片机组 成自动检测、控制和报警系统。
气敏传感器的性能必须满足下列条件： (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。