傳感器氣、濕敏傳感器

9汽進(jìn)展檢測的器件。傳感器。氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏元件的分類及必備條件或濃度的傳感器。外表把握型；體把握型。電阻式；非電阻式。的濃度；生變化，來對氣體進(jìn)展直接或間接的檢測。氣敏元件至少都必需具備如下條件：②單位濃度的信號變化量大；③能檢測出的下限濃度低；④響應(yīng)重復(fù)特性良好；⑤選擇性好，即對與被測氣體共存的其它氣體不敏感；⑥對四周環(huán)境(如溫度、濕度)的依靠性小；⑦性能長期穩(wěn)定，構(gòu)造比較簡潔。外表把握型電阻式半導(dǎo)體氣敏元件主要用于檢測可燃性氣體。它具有氣體檢測靈敏度較高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。氣敏元件的材料選擇性，一般都摻有少量的貴金屬(如鉑等)作催化劑。構(gòu)造通常主要由三局部組成：以多孔質(zhì)燒結(jié)體型氣敏元件為例 燒結(jié)型SnO2

SnO21m300℃左右，按其加熱方式又可分為直熱式和旁熱式兩種。直熱式SnO2

氣敏元件直熱式元件又稱內(nèi)熱式，這種元件的構(gòu)造示意圖如圖1018SnO2

基體材料、加熱絲、測量絲，它們都埋在SnO2

基材內(nèi)。工作時加熱絲通電加熱，測量絲用于測量元件的阻值。圖 直熱式氣敏元件構(gòu)造不意圖及圖形行號a)構(gòu)造示意圖 形符號下使用、價格低廉的可燃?xì)怏w泄漏報警器。國內(nèi)QN型和MQ型氣敏元件，日本弗TGS#109成與材料的接觸不良。旁熱式SnO2

氣敏元件構(gòu)造示意圖如以以下圖。其管芯增加了一個陶瓷管，在管內(nèi)放進(jìn)高阻加熱絲，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂SnO2

材料。性較直熱式有所改進(jìn)。目前國產(chǎn)QM—N5型氣敏元件，日本弗加羅TGS#812、813型氣敏元件均承受這種構(gòu)造。圖旁熱式氣敏元件構(gòu)造示意圖及圖形符號構(gòu)造示意圖b)圖形符號圖9.1 某型號氣敏傳感器的整體構(gòu)造氣敏元件有三種構(gòu)造類型——燒結(jié)體型、薄膜型和厚膜型多孔質(zhì)燒結(jié)體型氣敏元件是把電極和元件加熱用的加熱器埋入金屬氧化物中，添加Al

O等催化劑和粘結(jié)劑，通電加熱或加壓成型后再低溫?zé)? 3結(jié)而成。這類元件的性能全都性較差。薄膜型氣敏元件這類元件是在絕緣襯底(如石英基片)上蒸發(fā)或濺射了的改觀。厚膜型氣敏元件工藝性、機(jī)械強(qiáng)度和性能的全都性都很好。根本測試電路燒結(jié)型SnO2

ab、c元件加熱器組成加熱回路，穩(wěn)壓電源供給器件加熱電壓UH

：0～20V壓U ，負(fù)載電阻RC

兼作取樣電阻。從測量回路可得到式中ICURL

——回路電流；——負(fù)載電阻上的壓降。圖SnO2

氣敏元件根本測試電路c)TGSl092．工作原理當(dāng)氣體吸附到半導(dǎo)體氣敏元件外表時，元件的電阻發(fā)生變化。即氣敏元蒸發(fā)；另一局部殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處(化學(xué)吸附)。功函數(shù)：標(biāo)志著電子從半導(dǎo)體中逸出的能量的大小。N阻值減小。具有這種正離子吸附的氣體稱為復(fù)原性氣體，如H、CO、碳?xì)浠衔?和酒類等。導(dǎo)體奪取電子而變成負(fù)離子吸附。xONO等。負(fù)離子吸附x2數(shù)目削減，因此元件的電阻值增大。工作原理流程9.3工作原理流程解釋9.4N由于空氣中的氧分壓大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。當(dāng)處路(如電橋電路)就可測出其濃度。原性氣體使其電阻增大。圖9.4 3．元件材料氧化錫(Sn02)系SnO2是具有比較高的電導(dǎo)率的N700～900℃下燒結(jié)而成的。元件中添加了鉑(Pt)和鈀(Pd)等作為催化劑，以提高其靈敏度與氣體識別力氣(選擇性)。添加劑的成分與含量、元件的燒結(jié)溫度和工作溫度將影響元件的選擇性。如在同一工作溫度下，含1.5％(重量)PdCO敏，含O.2％(重量)Pd時，對CH。最靈敏。又如同一含Pt的氣敏元件，在300℃400℃以上檢測甲烷最正確。厚膜型Sn02氣敏元件，添加了Th02，提高了元件的氣體識別力氣，尤ThO。的元件，CO9.6)。識別力氣。圖9.5 添加ThOz的SnOz氣敏元件在不同濃度 圖9.6 振蕩頻率、振幅與COCO180℃)為200℃1％(Th02)氧化鐵(Fe203)系N型金屬氧化物。它具有通過轉(zhuǎn)變Fe氧化復(fù)原狀態(tài)(或條件)相對應(yīng)而變化的特異性質(zhì)。石油氣敏元件。對甲烷有很高的靈敏度，可用作城市煤氣報警。氧化鋅(ZnO)系氧化鋅系氣敏元件對復(fù)原性氣體有較高的靈敏度。它的工作溫度較高，100℃左右，因此在應(yīng)用上不及氧化錫系元件普遍。MEMS的型微構(gòu)造氣敏傳感器Systems)MEMS們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。元件和溫度探測元件，以探測和監(jiān)控溫度。利用+MEMS，技術(shù)很簡潔將氣敏元件和加熱元件、溫度探測元件制作在一起，保證了氣敏傳感器的優(yōu)良性能。MEMSMEMSl.硅基做構(gòu)造氣敏傳感器傳感器，它是當(dāng)前微構(gòu)造氣敏傳感器的主流。金屬氧化物半導(dǎo)體或聚合物電導(dǎo)型氣敏傳感器敏感材料是金屬氧化物半導(dǎo)體或?qū)щ娋酆衔铮焕黼娐诽幚砗?，就能識別氣體的成分和濃度。固體電解質(zhì)氣敏傳感器有電流型和電壓型兩種:極尺寸關(guān)系親熱。器的優(yōu)異性能。700℃2w。3)電容型氣敏傳感器測氣體后，介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，電容器的電容也跟著發(fā)生變化。由于電容的變化與待測氣體的介電常數(shù)及待測氣體與聚合物的作用這兩來提高傳感器的靈敏度。4)諧振器型氣敏傳感器MEMS器，檢測二氧化氮的濃度下限達(dá)106,當(dāng)工作頻率為19kHz時，靈敏度達(dá)1.3Hz/106。2．硅微構(gòu)造氣敏傳感器場效應(yīng)管(MOSFET)型和鈀金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)二極管型。這些傳感器中的MEMSMOSFET型氣敏傳感器工作原理是：MOSFET很敏感；當(dāng)柵電極為鉑、銥時，對含氫化合物氣體NH3、H2S柵電極為碘化鉀時，可檢測臭氧。MISC—W極金屬用鈀—銀合金代替鈀；用集成電路工藝制造出加熱器、測溫元件和MIS二極管；最終用犧牲層工藝從反面將硅芯片選擇性地減薄。這種測氫二極管在正偏或反偏狀態(tài)下都可測氫氣的濃度：用恒流源正偏置MIS其反向漏電流可定量顯示氫氣的濃度。硅和硅基微構(gòu)造氣敏傳感器，用與集成電路相容的MEMS技術(shù)制造，是MEMS靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)時間短、穩(wěn)定性好)，本錢低，各批產(chǎn)品間性能差異小，同一芯片上可制作信號處理電路和讀出電路(智能化、多功能化)。ICMEMS以及強(qiáng)大的微電子工業(yè)的有力支持，將為氣敏傳感器的開展供給極好的時機(jī)。應(yīng)用舉例1．家用煤氣、液化石油氣泄漏報警器一種簡潔、廉價的家用煤氣、液化石油氣報警器電路。該電路可直接由QM—N6器發(fā)聲報警。2．城市煤氣報警器格外高，但對酒精等也很敏感。CO這種類型的報警器之一是由厚膜混合電路氣體傳感器和單片微處理機(jī)構(gòu)成的型城市用煤氣報警器。把對甲烷最敏感的氧化錫厚膜、對一氧化碳最敏感的氧化鎢厚膜和對酒精特別敏感的一種厚膜集成在同一塊三氧化二鋁一氧化碳、酒精等發(fā)出報警信號。圖9.11 厚膜混合電路氣體傳感器的構(gòu)造濕敏傳感器濕度及其表示空氣中含有水分的多少，即空氣的干濕程度叫濕度。飽和度等。常用的空氣濕度有三種表示方法1．確定濕度確定濕度(AH)表示單位體積(即1m3)的空氣中所含水氣的質(zhì)量，定義為式中：mV

g/m3。相對濕度(RH，Relative。Humidity)比值之百分?jǐn)?shù)，定義式為P P相對濕度 V100% a100%P PW T S T氣壓。相對濕度也可定義為氣體確實定濕度Pa

與同一溫度下到達(dá)飽和狀態(tài)的PS

的百分比。 3．露點溫度露點和露點溫度保持壓力確定下，降溫使混合氣體中的水蒸氣到達(dá)飽和而開頭結(jié)露〔或結(jié)霜〕時的溫度稱為露點溫度(單位為℃)，簡稱為露點?？諝獾南鄬穸仍礁?，就越簡潔結(jié)霜；混合氣體中的水蒸氣壓，就是在該混合氣體中露點溫度下的飽和水蒸氣壓，因此，通過測定空氣露點的溫度，就可以測定空氣的水蒸氣壓。對濕敏傳感器的根本要求①能滿足所要求的濕度測量范圍，且響應(yīng)快速；②在各種氣體環(huán)境中特性穩(wěn)定；③受溫度的影響小，能在-30～100℃的環(huán)境溫度中使用；④不受塵埃附著的影響；⑤工作牢靠，互換性好，使用壽命長；⑥制造簡潔，價格廉價。搞清楚所存的問題等。電阻式濕敏傳感器原理利用濕敏元件的電氣特性(如電阻值)隨濕度的變化而變化進(jìn)展?jié)穸葴y量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質(zhì)，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝在外表上制備一層金屬、半導(dǎo)體、高分子薄膜和粉末狀顆粒而制成的。氯化鋰濕敏傳感器敏元件外形圖。濕敏元件的基片材料為無堿玻璃帶。的鉑箔片夾在基片精料的兩側(cè)作為電極。元件的電阻值隨濕氣的吸附與脫附過程而變化。9.13與濕度的變化成線性關(guān)系。為了擴(kuò)大濕度測量范圍，可以將幾支浸漬不同濃度氯化鋰的濕敏元件組合1％～1.5％(20％～5O.5％(重量)濃度氯化鋰的濕敏元件，可檢測相對濕20％～80％范圍內(nèi)的濕度。9．13玻璃帶上浸漬氯化鋰的濕敏元件的電阻—相對濕度特性9.13呈現(xiàn)出較小的滯后現(xiàn)象。因此，假設(shè)濕度的測量精度要求不太高(如±2％(RH)),在常溫四周使用時，可不必進(jìn)展溫度補(bǔ)償。陶瓷濕敏傳感器陶瓷濕敏傳感器是近年來正在大力開展的一種型傳感器。金屬氧化物陶瓷構(gòu)成的濕敏傳感器有離子型和電子型兩類；關(guān)系示于圖9.14在環(huán)境溫度0～100℃，0% 30%相對濕度范圍內(nèi)，元件的阻值與濕度呈線性關(guān)系，且在低溫段；電阻隨濕度的變化較大。9.14陶瓷濕敏傳感器的電阻與濕度的關(guān)系電子型濕敏元件是利用分子在氧化物外表上的化學(xué)吸附導(dǎo)致元件電導(dǎo)率轉(zhuǎn)變的原理制成的：元件的電導(dǎo)率是增加還是減小，取決于氧化物半導(dǎo)體是NP氧化鋯—氧化鎂陶瓷濕敏傳感器是一種能在高溫環(huán)境下進(jìn)展?jié)穸葯z測的電子型濕敏傳感器，其構(gòu)造如圖9．15所示。9.15一種氧化鋯—氧化鎂陶瓷濕敏傳感器的構(gòu)造中其它氣體(空氣、氧氣、氮?dú)狻?fù)原性氣體)的影響。在-20700℃的環(huán)境溫燥器等設(shè)備中。陶瓷濕敏傳感器的優(yōu)點是：濕度滯后小，響應(yīng)速度不超過10～15s，便于批量生產(chǎn)。但其長期牢靠性較差，易受環(huán)境溫度影響等問題仍待抑制。電容式濕敏傳感器利用濕敏元件的電容值隨濕度變化進(jìn)展?jié)穸葴y量的傳感器；薄片狀電容式濕敏傳感元件狀電容器。吸濕性電介質(zhì)材料(感濕材料)主要有高分子聚合物和金屬氧化物等。由吸濕性電介質(zhì)材料構(gòu)成的薄片狀電容式濕敏傳感器能測全濕范圍的濕-10～70℃的環(huán)境溫度中使用。高分子聚合膜電容式濕敏元件的構(gòu)造1m的金電極(下電極)，在其外表上均勻涂覆(或浸漬)一層厚度約5000A(1A=108cm)的感濕膜(醋酸纖維膜)，在感濕膜的外表上再蒸鍍一層多孔性金薄膜(上電極)，上電極薄膜的厚度約200～500A較為適宜。由上、下電極和夾在其間的感濕膜構(gòu)成一個對濕度敏感的平板形電容器。9.16圖9.17 電容值與相對濕度的關(guān)系濕敏元件的構(gòu)造當(dāng)環(huán)境氣氛中的水分子沿著電極的毛微小孔進(jìn)入感濕膜而被吸附時，濕敏元件的電容值與相對濕度之間成正比關(guān)系，線性度約9.17這類電容式濕敏傳感器的響應(yīng)速度快，圖9.18示出了其響應(yīng)特性。試驗說明，當(dāng)濕敏元件從低濕氣氛(相對濕度為30％)快速移入高濕氣氛3s；如從高濕氣氛快速移入低濕10～30s)。另一種薄片狀電容式濕敏元件的構(gòu)造極和兩個下金或鉑電極形成兩個串聯(lián)電容器。當(dāng)空氣中的相對濕度變化時，吸附在氧化鋁薄膜上的水分子質(zhì)量變化，引起電容值變化。90％)，會消滅非線性。為了改善濕度特性的線性度，提高濕敏元件的長期穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，到較為顯著的效果。電解質(zhì)式濕度傳感器圖9.20 填充型氯化鋰濕度傳感器的原理傳感器原理兩根電極插在浸透氯化鋰溶液的玻璃纖維中，加上溝通電壓。由于氯當(dāng)溶液到達(dá)飽和狀態(tài)時，電阻急劇增大，電流減小，促使溫度下降。由于溫度下降，溶液反過來吸取大氣中的水分。通過溫度的上升和下降過程的反復(fù)進(jìn)展，最終保持在確定的溫度上。到達(dá)這個溫度時，說明氯化鋰水溶液中的水蒸氣壓與四周空氣的水蒸濕度治理。應(yīng)用范圍及應(yīng)用實例1．一個烹調(diào)設(shè)備中濕度把握的應(yīng)用實例原理框圖R550℃工作溫度。S供電。RR0

構(gòu)成分壓電路。交—直流變換器的直流輸出信號經(jīng)運(yùn)算單元運(yùn)算，輸出與濕度成比例的直流電信號，并顯示。9.21Ur是比較器用來推斷是否停頓加熱的基準(zhǔn)信號。比較器的輸出可用來對烹調(diào)設(shè)備的加熱進(jìn)展把握。構(gòu)造與安裝和使用█接通電熱器電源，使?jié)衩粼臏囟壬仙揭蟮墓ぷ鳒囟?。然后啟動█烹調(diào)設(shè)備，對食品加熱，依據(jù)濕度變化來把握烹調(diào)過程的進(jìn)展。9.22承受濕敏傳感器的高頻電子食品加熱器2．一種有用濕度測量系統(tǒng)框圖█圖9.23 一種有用濕度測量系統(tǒng)的方框圖濕敏傳感器選擇選電阻式濕敏元件，其濕度與電阻的一般關(guān)系近似為█RX

為濕敏元件的阻抗；R0％時濕敏元件的阻抗；0H(RH)。假設(shè)考慮溫度因素，那么有式中：B為溫度常數(shù)，單位為K；RT0(K)0％(RH)時濕敏元件的阻抗；0T、T0 1

為溫度，單位為K。振蕩器這是一個典型的文氏振蕩器電路。█圖9.24振蕩器電路 圖9.25濕度敏感與取樣電路高輸入阻抗溝通放大器

構(gòu)成100％4

R。R8 8

與同相端輸人Ri

C5

RR8

的視在阻抗大大提高，到達(dá)提高輸入阻抗的目的。圖9.26 溝通放大器