《氣濕敏傳感器》PPT課件.ppt

第十章 氣濕敏傳感器,第一節(jié) 氣敏傳感器,第二節(jié) 濕敏傳感器,第一節(jié) 氣敏傳感器,接觸燃燒式氣敏元件 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件 氧化鋯氣敏元件,一、接觸燃燒式氣體傳感器 1、檢測(cè)原理 可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無(wú)焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大?？扇夹詺怏w燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)。空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(R)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。,F1是檢測(cè)元件；F2是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時(shí)，要求在F1和F2上保持100mA200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測(cè)元件F1與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。,RF與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例,可用下式表示,如果令,則有,檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)； T由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測(cè)元件的溫度增加值； H可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； C檢測(cè)元件的熱容量； Q可燃性氣體的燃燒熱； m可燃性氣體的濃度(Vol)； 由檢測(cè)元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。,，C和在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則,并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感應(yīng)特性曲線如圖。,E=kmb,即A、B兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測(cè)得A、B間的電位差E，,(b)敏感元件外形圖,(a)元件的內(nèi)部示意圖,2、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu),二、半導(dǎo)體氣體傳感器 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢(shì)壘模型。,燒結(jié)型SnO2氣敏元件 SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,氣體敏感元件電阻值RC與空氣中被測(cè)氣體的濃度C成對(duì)數(shù)關(guān)系：,n：與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān) m：氣體分離度,RC1：氣敏元件在濃度為C1時(shí)的電阻 RC2：氣敏元件在濃度為C2時(shí)的電阻,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一 般為3040,加熱絲放置在陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量電極，在金屬電極上涂有SnO2等材料。,三、氧化鋯氧氣傳感器 在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。 純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100下，為正方晶系，2500下，為立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。,在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15mol左右時(shí),離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的ZrO2Y2O3固溶體，離子活性較高，在較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固體電解質(zhì)材料，稱為YSZ材料。,四、氣體傳感器應(yīng)用,實(shí)用酒精測(cè)試儀,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(duì)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(duì)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,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(duì)濕度和絕對(duì)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,vV100,這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。,mM100,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,2、相對(duì)濕度和絕對(duì)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(duì)濕度:,m待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量；V待測(cè)空氣的總體積； v待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度。,絕對(duì)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,二、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(dòng)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(duì)濕度的函數(shù)。,電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型,電解質(zhì)導(dǎo)電機(jī)理：電阻值隨環(huán)境濕度變化而變化。,把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來(lái),可制成相對(duì)濕度工作量程為2090RH的濕度傳感器。,三、陶瓷濕度傳感器,典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO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(duì)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。,1、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(wú)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,2、主要特性與性能 電阻一濕度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)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(duì)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(duì)濕度由0變?yōu)?00RH時(shí)，阻值從107下降到104，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。,四、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。 1、結(jié)構(gòu),2、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