第九章气、湿敏传感器
9.2 湿敏传感器概述
湿度传感器的基本概念
1.绝对湿度和相对湿度
大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来 表示的。
H = D ×100%(RH ) DS
H--相对湿度； D--绝对湿度（mmHg）； Ds--当时气温下的饱和水气压（mmHg）。
大气的相对湿度表明了大气中的水汽离饱和状态的远近程 度。
湿度传感器的基本概念
¾ 2.露点
露点就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽 变成饱和水汽所必须降低到的温度。
结露：大气中的未饱和水汽接触到温度较低的 物体时，就会使大气中的未饱和水汽达到或接 近饱和状态，在这些物体上凝结成水滴，这种 现象称为结露。
湿度； 人类的居住环境要保持一定的湿度才能舒适。
9.2 湿 敏 传 感 器
¾ 湿度传感器的特点：
可以集中进行控制，便于遥测； 不需要很大的检测空间； 可方便地与数字电路相匹配；
¾ 湿度传感器的应用领域：
空调系统； 半导体制造业，计算机房； 工业生产中的湿度控制；
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9.2 湿 敏 传 感 器
¾ 湿度检测与控制的重要性
具有粉尘作业和电火工品生产的车间，当湿度小 而产生静电时，容易产生爆炸；
大规模集成电路生产过程中，当相对湿度低于30% 时，容易产生静电影响生产；
仓库湿度过大，会使存放的物资变质或霉烂； 纺织厂为了减少棉纱断头，车间要保持相当高的
传感器与检测技术ppt课件
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重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
气敏、湿敏传感器精选全文
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：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。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
第九章气、湿敏传感器.
第九页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.3 工作原理流程解释
第十页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值 变化情况。由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的 吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时， 如果被测气体流入这种气氛中，则元件表面将产生吸附作用， 元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化。通过测量电路(如 电桥电路)
还可以采用改变元件的烧结温度和工作温度相结合的措
第十四页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.5 添加ThO2的SnO2气敏元件在不同浓度的CO气氛中的振荡波形 (元件工作温度为200 ℃，添加1%(重量)的ThO2)
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第9章 气、湿敏传感器
第二十七页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 2) MIS MIS二极管的伏安特性对氢气很敏感，当氢气浓度改变 时，其伏安特性会发生明显的变化，因而可利用它来检测氢 气。美国C-W储备大学开发了带有加热器和测温元件的MIS 二极管型微结构氢敏传感器。为了提高灵敏度和耐久性，电 极金属用钯-银合金代替钯，用集成电路工艺制造出加热器、 测温元件和MIS二极管，最后用牺牲层工艺从背面将硅芯片
2. 当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻(或电 导率)会发生变化，即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测 的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上 自由扩散(物理吸附)，失去其运动能量。一部分气体分子被 蒸发，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸 附)。这时，如果N型半导体，功函数越大，电子越不容易从半 导体中逸出)大于气体吸附分子的离解能，则气体的吸附分子 将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附(带正电荷)。供 给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷
第9章气湿敏传感器
➢ 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（CO、 CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）。
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第9章气湿敏传感器
第九章 气、
双层金 属网罩 气敏元 件
电极引 线
外套 封装基 痤 端子
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图9.1 某气敏传感器的整体结构
第9章气湿敏传感器
第九章 气、
（1） 烧结型
➢ 将元件的电极和加热器
金属氧化物
加热电极
输出极
均埋在金属氧化物气敏材
料中, 经加热成型后低温
烧结而成。
烧结型
➢ 目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200－300℃, SnO2气敏 半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、
阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧
化性气体(例O2、NOx等)。
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第9章气湿敏传感器
第九章 气、
100 元件电阻 元件加热
正常状态
50
吸附氧化性气体 元件阻值变化
0 空气中
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吸附还原性气体 时间
吸附气体后
第9章气湿敏传感器
第九章 气、
➢ 当吸附还原性气体时，N型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值 降低。
数
第九章 气、 玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的电阻-相对湿度特性 :
/对
传感器 第9章 气、湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器• 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。
• 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。
9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件• 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。
• 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体外表，还是涉及到内部，分为： 外表控制型；体控制型。
按照半导体变化的物理特性:电阻式；非电阻式。
• 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；• 非电阻式半导体气敏元件那么是根据气体的吸附和反响，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。
• 气敏元件至少都必须具备如下条件：① 对气体的敏感现象是可逆的；② 单位浓度的信号变化量大；③ 能检测出的下限浓度低；④ 响应重复特性良好；⑤ 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感；⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小；⑦ 性能长期稳定，结构比拟简单。
9.1.2 外表控制型电阻式半导体气敏元件• 这种类型的气敏元件是利用半导体外表因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。
它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。
气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难复原的氧化物。
为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。
1．结构通常主要由三局部组成：① 气体敏感元件；② 对敏感元件进行加热的加热器；③ 支持上述部件的封装局部。
以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型2SnO 气敏元件是以多孔质陶瓷2SnO 为基材(粒度在1μm 以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。
烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。
这种元件主要用于检测复原性气体、可燃性气体和液体蒸气。
第9章气敏湿敏传感器
SnO2 烧结体 1
2
3 4
Ir—Pd合金丝 (加热器兼电极)
(a)结构
13
24 （b)符号
图15.6 直热式气敏器件的结构和符号
旁热式气敏器件
旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内， 在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导 体材料，就构成了器件
克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高
半导体式气敏传感器的分类
1 气敏电阻的工作原理
◆气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材 料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷 制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如 氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型 半导体，如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧 化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气 体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时 还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、 银（Ag）等。
（6）初期稳定时间 一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将
下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏 元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳 定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时 间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元 件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。 （2min)
◆该类气敏元件通常工作在高温状态 （200~450℃），目的是为了加速上述的氧 化还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下 吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保 持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器 件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大。显然， 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度 增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图1 （a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输 出电压与温度的关系如图1（b）所示。
传感器(9 气敏、湿敏)
9.1.4应用举例 家用有毒气体探测报警器
一氧化碳、液化气，甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气 中达到一定浓度时．将危及人的健康与安全。此电路线路简单， 具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。
1.传感器
2.探测报警电路如图所示。
用QM—N10气敏传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、 高灵敏度的气敏元件。
9.2.6应用实例
1.烹调设备湿度控制的应用实例
湿敏传感器安装在烹调设备 的排气口，根据湿度变化控制烹调 过程的进行。
2. 湿度测量系统方框图
作业：
一、课后习题1、2。 二、简述电容式湿敏传感器的工作原理。 三、气敏传感器中加热器的作用是什么？ 四、设计家用有毒气体报警器的报警电路。 五、判断题： 1、当氧化性气体吸附到N型半导体上，还原性气体吸附 到P型半导体时，将使载流子增加，电阻减小。 ２、具有负离子吸附倾向的气体有02和NOx，称为氧化 性气体。 ３、气敏传感器使用时通常需要4分钟左右的预热时间。 ４、氯化锂湿敏传感器一般选用交流电供电源。 六、湿敏传感器通常由————、———、————三部 分组成。 气敏传感器由————、———、————三部分组 成。
2.陶瓷湿敏传感器
金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两种。 离子型陶瓷湿敏传感器：由绝缘材料制成的多微孔陶瓷元件 对水 分子具有物理吸附作用（毛细作用），因而在潮湿气氛中呈现出 H+离子，使元件的电导率增加。处于实用阶段的这类传感器分别 以：α-Fe2O3、K2CO3，ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。 电子型陶瓷湿敏元件：利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元 件电导率改变进行湿度测量。图9.15是氧化锆—氧化镁合成陶瓷湿 度传感器。电热元件用于加热（300~700 ℃ ）和清洗污物。外壳保 证传感器在高温下使用的热稳定性。这类传感器已应用于食品加工、 空调和干燥器等设备中。
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根据热传导率差而放热的发 热元件的温度降低进行检测
由于红外线照射气体分子谐 振而吸收或散射量进行检测
还原性气体、城市 排放气体、丙烷气 等
燃烧气体
CO 、 H2 、 CH4 、 C2H5OH、 SO2等
与空气折射率不同 的气体，如CO2等 与空气热传导率不 同的气体，如H2等
电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气 体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度； 而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸 附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行 直接或间接检测。
一、电阻型半导体气敏材料的导电机理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体
表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变 化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状 态，气体接触半导体表面而被吸附时，被吸 附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能 量。一部分被蒸发掉，另一部分残留分子产 生热分解而吸附在吸附处。
器件电阻值（kΩ)
➢ 初始稳定 ➢ 气敏响应 ➢ 恢复特性
100
响应时间，约 1min 以内
稳定
器件加热 状态
氧化型
50
电阻值变化
5
加热 开关
10s 2min 4min
大气中
还原型 吸附气体时
图 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
❖ 初始稳定状态
➢ 气敏传感器按设计规定的电压值使加热丝通 电加热之后，敏感元件电阻值首先是急剧地 下降，一般约经2一10分钟过渡过程后达到稳 定的电阻值输出状态，称这一状态为“初始 稳定状态”。
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的 吸附和渗透特性)，则吸附分子将从器件夺得电子而 变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。如氧气等 具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子 接收性气体。
如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸 附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具 有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化含物和 醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。
❖ 恢复特性
测试完毕，把传感器置于大气环境中，其 阻值复原到保存状态数值的速度称为元件的 恢复特性。它与敏感元件的材料及结构和大 气环境条件有关。
规则总结：
• 氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降， 电阻增加
• 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加， 电阻减小
• 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加， 电阻减小
灵敏度则无很大的影响。烧结型器件制作方法简单，器件寿 命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较 贵重，电性能一致性较差，应用受到一定限制。
当氧化型气体吸附到N型半导体，还 原型气体吸附到P型半导体上时，将使半 导体的载流子减少，而使电阻值增大；
当氧化型气体吸附到P型半导体上，还 原型气体吸附到N型半导体上时，则载流 子增多，将使半导体电阻值下降。
由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因 此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相 对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将 变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得 知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏器件 的响应时间一般不超过1min。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、 CrO3等
CO、CO2等
灵敏度高，构造与电路 简单，但输出与气体浓 度不成比例
输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
气体选择性好，但不能 重复使用
寿命长，但选择性差
构造简单，但灵敏度低， 选择性差
能定性测量，但装置大， 价格高
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
（ｃ）空气质量传感器
（d）氧气浓度传感器
(e)可燃气体传感器
第九章气、湿敏传感器
第一节、半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓 度和成分的传感器。是能够感知环境中某 种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气 体种类及其浓度有关的信息转换成电信号， 根据这些电信号的强弱便可获得与待测气 体在环境中存在情况有关的信息。
由于气体种类繁多．性质各不相同，不可能用 一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现 气 — 电转换的传感器种类很多。按构成气敏传 感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前 实际使用最多的是半导体气敏传感器（电学方 法），早期所采用的光学法是较古老的方法，其 装置复杂，使用和维修难度大，成本高。 电化学 方法虽然是老方法，但目前仍有较多使用，且有 一定发展，由于使用不便已很少采用。
➢ 达到初始稳定状态的时间及输出电阻值，除 与元件材料有关外，还与元件所处大气环境 条件有关。达到初始稳定状态以后的敏感元 件才能用于气体检测。
❖ 气敏响应
• 过程：当加热的气敏元件表面接触并吸附 被测气体时，首先是被吸附的分子在表面自 由扩散(称为物理性吸附)而失去动能，这期 间，一部分分子被蒸发掉，剩下的一部分则 因热分解而固定在吸附位置上(称为化学性 吸附)。
半导体气敏传感器利用半导体气敏元件同气体 接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特 定气体的成分或者浓度。按照半导体与气体的相 互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控 制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性 质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物 半导体器件）和非电阻型（电压控制型、MOS器 件）两种。
气敏传感
特点
半导体式
接触燃烧 式
化学反应 式
光干涉式
热传导式
红外线吸 收散射式
若气体接触到加热的金属 氧 化 物 (SnO2 、 Fe2O3 、 ZnO2 等)，电阻值会增大或减小
可燃性气体接触到氧气 就会燃烧，使得作为气敏材 料的铂丝温度升高，电阻值 相应增大 利用化学溶剂与气体反应产 生的电流、颜色、电导率的 增加等
• 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
二、电阻型半导体气敏传感器的结构 电阻型半导体气敏传感器通常由气
敏元件、加热器和封装体等三部分组成。 从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和 厚膜型三类。
右图为烧结型气敏器件。这类器 件以SnO2半导体材料为基体、将铂 电极和加热丝埋入SnO2材料中，经 加温、加压，利用700～900℃的制 陶工艺烧结成形。因此，被称为半 导体导瓷，简称半导瓷。半导瓷内 晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小 对电阻有一定影响，但对气体检测