《气湿敏传感器》PPT课件.ppt

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1、第10章 气敏湿敏传感器 第十章第十章 气湿敏传感器气湿敏传感器 第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 第二节第二节 湿敏传感器湿敏传感器 第10章 气敏湿敏传感器 第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 l接触燃烧式气敏元件l金属氧化物半导体气敏元件l氧化锆气敏元件第10章 气敏湿敏传感器 一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器1 1、检测原理、检测原理 可可燃燃性性气气体体(H(H2 2、COCO、CHCH4 4等等)与与空空气气中中的的氧氧接接触触，发发生生氧氧化化反反应应，产产生生反反应应热热(无无焰焰接接触触燃燃烧烧热热)，使使得得作作为为敏敏感感材材料料的的铂铂丝丝温温度度升升

2、高高，电电阻阻值值相相应应增增大大。可可燃燃性性气气体体燃燃烧烧，其其发发热热量量与与可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度有有关关。空空气气中中可可燃燃性性气气体体浓浓度度愈愈大大，氧氧化化反反应应(燃燃烧烧)产产生生的的反反应应热热量量(燃燃烧烧热热)愈愈多多，铂铂丝丝的的温温度度变变化化(增增高高)愈愈大大，其其电电阻阻值值增增加加的的就就越越多多。因因此此，只只要要测测定定作作为为敏敏感感件件的的铂铂丝丝的的电电阻变化值阻变化值(R)(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。，就可检测空气中可燃性气体的浓度。第10章 气敏湿敏传感器 AF2F1MR1R2CBDW2W1E0F1是是检检测测元元件

3、件；F2是是补补偿偿元元件件，其其作作用用是是补补偿偿可可燃燃性性气气体体接接触触燃燃烧烧以以外外的的环环境境温温度度、电电源源电电压压变变化化等等因因素素所所引引起起的的偏偏差差。工工作作时时，要要求求在在F1和和F2上上保保持持100mA200mA的的电电流流通通过过，以以供供可可燃燃性性气气体体在在检检测测元元件件F1上上发发生生氧氧化化反反应应(接接触触燃燃烧烧)所所需需要要的的热热量量。当当检检测测元元件件F1与与可可燃燃性性气气体体接接触触时时，由由于于剧剧烈烈的的氧氧化化作作用用(燃燃烧烧)，释释放放出出热热量量，使使得得检检测测元元件件的的温温度度上上升升，电电阻阻值值相相应应

4、增增大大，桥桥式式电电路路不不再再平平衡衡，在在A、B间间产产生生电电位位差差E。第10章 气敏湿敏传感器 RF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 如果令则有检测元件的电阻温度系数；T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；H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)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。第10章 气敏湿敏传感器，C和和在一定条件下，都是确定的常数。则在一定条件下，都是确定的常数。则并并由由此此求求得得空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度。若若与与相相应应的的电电路路配配合合，就就

5、能能在在空空气气中中当当可可燃燃性性气气体体达达到到一一定定浓浓度度时时，自自动动发发出出报报警警信信号号，其其感感应应特特性曲线如图。性曲线如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL)E=kmb即即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例成比例。如果在。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以两点间连接电流计或电压计，就可以测得测得A、B间的电位差间的电位差E，第10章 气敏湿敏传感器(b)敏感元件外形图(a)元件的内部示意图 触媒Al2O3载体Pt丝元件

6、(0.8-2)mm 2 2、接触燃烧式气敏元件的结构、接触燃烧式气敏元件的结构第10章 气敏湿敏传感器 二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器 气气体体敏敏感感元元件件，大大多多是是以以金金属属氧氧化化物物半半导导体体为为基基础础材材料料。当当被被测测气气体体在在该该半半导导体体表表面面吸吸附附后后，引引起起其其电电学学特特性性(例例如如电电导导率率)发发生生变变化化。目目前前流流行行的的定定性性模模型型是是：原原子子价价控控制制模模型型、表表面面电电荷荷层层模模型型、晶晶粒粒间间界界势垒模型势垒模型。烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 SnO2系系列列气气敏敏元元件件有有烧烧结

7、结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型三三种种。烧烧结结型型应应用用最最广广泛泛性性。其其敏敏感感体体用用粒粒径径很很小小(平平均均粒粒径径m)的的SnO2粉粉体体为为基基本本材材料料，根根据据需需要要添添加加不不同同的的添添加加剂剂，混混合合均均匀匀作作为为原原料料。主主要要用用于于检检测测可可燃燃的的还还原原性性气气体体，其其工工作作温温度度约约300。根根据据加热方式，分为加热方式，分为直接加热式直接加热式和和旁热式旁热式两种两种。第10章 气敏湿敏传感器 气气体体敏敏感感元元件件电电阻阻值值R RC C与与空空气气中中被被测测气气体体的的浓浓度度C C成成对对数关系：数关系：n n：与气

8、体检测灵敏度有关：与气体检测灵敏度有关m m：气体分离度：气体分离度R RC1C1：气敏元件在浓度为：气敏元件在浓度为C1C1时的电阻时的电阻R RC2C2：气敏元件在浓度为：气敏元件在浓度为C2C2时的电阻时的电阻第10章 气敏湿敏传感器（1）直接加热式）直接加热式SnO2 2气敏元件气敏元件(直热式气敏元件直热式气敏元件)1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片由芯片(敏感体和加热器敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰

9、，加互干扰，加热器与热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。成元件的失效，现已很少使用。第10章 气敏湿敏传感器（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040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123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布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。第10章 气敏湿敏传感器 三、氧化锆氧气传感器三、氧化锆氧气传感器 在固体电解质

10、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。第10章 气敏湿敏传感器 在在二二氧氧化化锆锆中中添添加加氧氧化化钙钙、三三氧氧化化二二钇钇等等添添加加物物后后,其其离离子子电电

11、导导都都将将发发生生改改变变。尤尤其其是是在在氧氧化化钙钙添添加加量量为为1515molmol左左右右时时,离离子子电电导导出出现现极极大大值值。但但是是，由由于于二二氧氧化化锆锆一一氧氧化化钙钙固固溶溶体体的的离离子子活活性性较较低低，要要在在高高温温下下，气气敏敏元元件件才才有有足足够够的的灵灵敏敏度度。添添加加三三氧氧化化二二钇钇的的ZrOZrO2 2Y Y2 2O O3 3固固溶溶体体，离离子子活活性性较较高高，在在较较低低的的温温度度下下，其其离离子子电电导导都都较较大大，如如图图。因因此此，通通常常都都用用这这种种材材料料制制作作固固定定电电解解质质氧氧敏敏元元件件。添添加加Y2O

12、3的的ZrO2固固体体电电解解质质材材料，称为料，称为YSZ材料。材料。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/%molZrO2中杂质含量与电导关系离子电导lg/-1cm-1第10章 气敏湿敏传感器 四、气体传感器应用四、气体传感器应用 实实用用酒酒精精测测试试仪仪 第10章 气敏湿敏传感器 湿度传感器依据使用材料分类：湿度传感器依据使用材料分类：电电解解质质型型：以以氯氯化化锂锂为为例例，它它在在绝绝缘缘基基板板上上制制作作一一对对电电极极，涂涂上上氯氯化化锂锂盐盐胶胶膜膜。氯氯化化锂锂极极易易潮潮解解，并并产产生生离离子子导电，随湿度升高而电阻减小。导电，随湿度升高而电

13、阻减小。陶陶瓷瓷型型：一一般般以以金金属属氧氧化化物物为为原原料料，通通过过陶陶瓷瓷工工艺艺，制制成成一一种种多多孔孔陶陶瓷瓷。利利用用多多孔孔陶陶瓷瓷的的阻阻值值对对空空气气中中水水蒸蒸气气的敏感特性而制成。的敏感特性而制成。高高分分子子型型：先先在在玻玻璃璃等等绝绝缘缘基基板板上上蒸蒸发发梳梳状状电电极极,通通过过浸浸渍渍或或涂涂覆覆,使使其其在在基基板板上上附附着着一一层层有有机机高高分分子子感感湿湿膜膜。有有机高分子的材料种类也很多机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。工作原理也各不相同。单晶半导体型单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工：所用材料主要是硅单晶，利用半

14、导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFETMOSFET湿度敏感器件等。湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。其特点是易于和半导体电路集成在一起。第二节第二节 湿敏传感器湿敏传感器 第10章 气敏湿敏传感器 一、湿度表示法一、湿度表示法 空空气气中中含含有有水水蒸蒸气气的的量量称称为为湿湿度度，含含有有水水蒸蒸气气的的空空气气是是一一种种混混合合气气体体。主主要要有有质质量量百百分分比比和和体体积积百百分分比比、相相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。1.1.质量百分比和体积百分比质量百分比和体积百分比 质

15、质量量为为M的的混混合合气气体体中中，若若含含水水蒸蒸气气的的质质量量为为m，则则质量百分比为质量百分比为vV100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。这两种方法统称为水蒸气百分含量法。mM100在体积为在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则，则体积百分比为体积百分比为第10章 气敏湿敏传感器 2 2、相对湿度和绝对湿度、相对湿度和绝对湿度 水水蒸蒸气气压压是是指指在在一一定定的的温温度度条条件件下下，混混合合气气体体中中存存在在的的水水蒸蒸气气分分压压(p)。而而饱饱和和蒸蒸气气压压是是指指在在同同一一温温度度下下，混混合合气气体体中中所所含含水水蒸蒸

16、气气压压的的最最大大值值(ps)。温温度度越越高高，饱饱和和水水蒸蒸气气压压越越大大。在在某某一一温温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度:m待测空气中水蒸气质量；待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。待测空气的绝对湿度。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，其定义为第10章 气敏湿敏传感器 二、电解质湿度传感器二、电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质固体电解质和

17、和液体电液体电解质解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地。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。环境相对湿度的函数。氯化锂湿度传感器的结构氯化锂湿度传感器的结构AB B 钯丝钯丝 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传电解质氯化锂湿度传感器最为典型感器最为典型电解质导电机理：电阻值随环境湿度变化而

18、变化。电解质导电机理：电阻值随环境湿度变化而变化。第10章 气敏湿敏传感器 03060900.010.1110R/108相对湿度相对湿度/%1.0%LiCl 2.2%LiCl 0.5%LiCl 0.25%LiCl PVAC氯化锂湿度传感器的阻氯化锂湿度传感器的阻湿特性湿特性组合式氯化锂的阻组合式氯化锂的阻湿特性湿特性030 60900.010.1110相对湿度相对湿度/%R/108把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相可制成相对湿度工作量程为对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器。的湿度传感器。第10章 气敏湿敏传感器 三、陶瓷湿度传感器三、陶

19、瓷湿度传感器 典典型型产产品品是是烧烧结结型型陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件是是MgCr2O4TiO2系系。此此外外，还还有有TiO2-V2O5系系、ZnOLi2OV2O5系系、ZnCr2O4系系、ZrO2 MgO系系、Fe3O4系系、Ta2O5系系等等。这这类类湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特征征量量大大多多数数为为电电阻阻。除除Fe3O4外外，都都为为负负特特性性湿湿度度传传感感器器，即即随随着着环环境境相相对对湿湿度度的的增增加加，阻阻值值下下降降。也也有有少少数数陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器，它的感湿特性量为电容。器，它的感湿特性量为电容。第10章 气敏湿敏传感器 1 1、结构、结构该湿度

20、传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。容易吸附水分。材料的主晶相是材料的主晶相是MgCr2O4相相,此外此外,还有还有TiO2相相等等,感湿体是一个多感湿体是一个多晶多相的混合物。晶多相的混合物。陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件结结构构图图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线第10章 气敏湿敏传感器 2 2、主

21、要特性与性能、主要特性与性能电阻一湿度特性电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特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，电阻数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由呈线性关系。当相对湿度由0变为变为100RH时，阻值从时，阻值从107下降到下降到104，即变化了三个数量级。，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/第10章 气敏湿敏传感器 四、高分子湿度传

22、感器四、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，与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数介电常数明显改变，制成明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻电阻明显变化，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，在吸湿之后的导电粒子，在吸湿之后的开关特性开关特性，制成了结露传感器。，制成了结露传感器。1 1、结构、结构高分子薄膜上

23、部电极下部电极第10章 气敏湿敏传感器 2 2、感湿机理与性能、感湿机理与性能 电电容容式式高高分分子子湿湿度度传传感感器器，其其上上部部多多孔孔质质的的金金电电极极可可使使水水分分子子透透过过，水水的的介介电电系系数数比比较较大大，室室温温时时约约为为79。感感湿湿高高分分子子材材料料的的介介电电常常数数并并不不大大，当当水水分分子子被被高高分分子子薄薄膜膜吸吸附附时时，介介电电常常数数发发生生变变化化。随随着着环环境境湿湿度度的的提提高高，高高分分子子薄薄膜膜吸吸附附的的水水分分子子增增多多，因因而而湿湿度度传传感感器器的的电电容容量量增增加加所以根据电容量的变化可测得相对湿度。所以根据电

24、容量的变化可测得相对湿度。第10章 气敏湿敏传感器 相对湿度/%050100200250300350电容湿度特性C/pF（f=1.5MHZ）电容电容湿度特性湿度特性 其其电电容容随随着着环环境境温温度度的的增增加加而而增增加加,基基本本上上呈呈线线性性关关系系。当当测测试试频频率率为为l.5MHzl.5MHz左左右右时时,其其输输出出特特性性有有良良好好的的线线性性度度。对对其其它它测测试试频频率率,如如1kHz1kHz、10kHz10kHz，尽尽管管传传感感器器的的电电容容量量变变化化很很大大,但但线线性性度度欠欠佳佳。可可外外接接转转换换电电路路,使使电电容容湿湿度特性趋于理想直线。度特性趋于理想直线。第10章 气敏湿敏传感器 直读式湿度计直读式湿度计六、湿敏传感器应用六、湿敏传感器应用