7.1 气敏传感器及其应用 7.2 湿敏传感器及其应用第7章 气体量、湿度量的测控第7章气体量、湿度量的测控7.1 气 敏 传 感 器及其应用 用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制, 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。 气敏传感器是一种能将气体中的特定成分（浓度）检测出来，并将它转换成电信号的器件。气敏传感器一般用于环境监测和工业过程检测， 将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器现代社会存在的各种气体，需要进行检测和控制，如： 气体成分 煤矿瓦斯浓度 环境污染 煤气泄漏 火灾报警 燃烧气敏传感器及其分类 半导体气敏元件接触气体后，半导体性质变化 检测特定气体的成分或浓度半导体气敏传感器可分为两类： 电阻式和非电阻式电阻式半导体气敏传感器利用气敏半导体材料，如： 氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件敏感元件吸收可燃气体烟雾，发生还原反应、放出热量 元件温度增高、电阻发生变化 (可燃气体：氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯、天然气和沼气等) 利用半导体材料的这种特性，将气体成分和浓度变换成电信号 进行监测和报警 一、 半导体气敏传感器工作原理对乙醚、乙醇、氢气等灵敏度较高对甲烷的灵敏度较低气体的浓度增加，元件阻值增大 在一定范围内呈线性关系 典型气敏元件的阻值-浓度关系元件对不同气体的敏感性不同 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100300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。 氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图7 - 1（b）所示。 由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图7 - 2所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对电极。 7-17-2二、气敏传感器的应用 分为检测、报警、监控等几种类型。电源电路 一般气敏元件的工作电压不高(3V10V)，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。辅助电路 由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等)，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下图是温度补偿电路。当环境温度降低时，则负温度热敏电阻(R5)的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。BZU气敏传感器氖管蜂鸣器NTC电阻WR1R2R3R4R5R6SCR右图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电12min后，阻值急剧增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。 BZ气敏传感器PTC电阻R2R1R3R4BCRUB蜂鸣器氖管二、 气敏传感器的应用 1. 气敏电阻元件种类 气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。 （1） 烧结型气敏元件 将元件的电极和加热器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。 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200300, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。 （2） 薄膜型气敏元件 采用真空镀膜或溅射方法, 在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1 m以下）, 构成薄膜型气敏元件。 氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片, 通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属, 用铂或钯膜作引出电极, 最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体, 当添加铂作催化剂时, 对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度, 而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时, 对H2 、CO有较高的灵敏度, 而对烷烃类气体灵敏度低。因此,这种元件有良好的选择性, 工作温度在400500的较高温度。 （3） 厚膜型气敏元件 将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（Al2O3）基片上,在400800的温度下烧结12小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好, 机械强度高, 适于批量生产。2. QM-N5气敏传感器及其应用电路QM系列气敏元件是采用金属氧化物半导体作敏感材料的N型半导体气敏元件，广泛应用于防火、保安、环保和家庭安全等领域。QM-N5气敏传感器主要应用于可燃性气体检测、监控报警装置、厨房自动排油烟机等，可检测CH4、H2、C4H10等可燃性气体、有机液蒸气和烟雾等。灵敏度高、响应恢复快。图7.3 用QM-N5气敏传感器构成的换气扇自动控制电路包括气体检测、温度检测、或逻辑电路、触发电路、整流稳压电路。3. 可燃性气体检测电路图7.4 为用QM-N10气敏元件的可燃性气体检测电路包括电源、检测、放大、显示三部分。4. 家用有毒气体探测报警器图7.5 为家用有毒气体的探测电路用TGS109制作一个简单的天然气报警器 一种家用煤气报警控制器电路的简单原理 实用酒精测试仪 如图所示为实用酒精测试仪的电路。 该测试仪只要被试者向传感器吹一口气, 便可显示出醉酒的程度, 确定被试者是否还适宜驾驶车辆。 气体传感器选用二氧化锡气敏元件。 当气体传感器探测不到酒精时, 加在A5脚的电平为低电平; 当气体传感器探测到酒精时, 其内阻变低, 从而使A5脚电平变高。 A为显示驱动器, 它共有10个输出端, 每个输出端可以驱动一个发光二极管, 显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数, 酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色, 表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色, 代表安全水平, 酒精含量不超过0.05%。 7.2 湿敏传感器用其应用 湿度是指大气中的水蒸气含量, 通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。绝对湿度和相对湿度绝对湿度：一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度：气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。7.6一、 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解, 离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图7.6所示, 由引线、 基片、 感湿层与电极组成。 氯化锂湿敏元件的湿度电阻特性曲线如图7.7所示。 由图可知, 在50%80%相对湿度范围内, 电阻与湿度的变化呈线性关系。 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器件组合使用, 如将测量范围分别为(10%20%)RH, (20%40%)RH, (40%70%)RH, (70%90%)RH和(80%99%)RH五种元件配合使用, 就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。 氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, 不受测试环境风速影响, 检测精度高达%, 但其耐热性差, 不能用于露点以下测量, 器件性能的重复性不理想, 使用寿命短。 二、 半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等, 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降, 故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷)。 1. 负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场, 当水在半导瓷表面吸附时, 就有可能从半导瓷表面俘获电子, 使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降。若该半导瓷为型, 则由于水分子的附着使表面电势下降。如果表面电势下降较多, 不仅使表面层的电子耗尽, 同时吸引更多的空穴达到表面层, 有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度, 出现所谓表面反型层, 这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献, 由此可见, 不论是型还是型半导瓷, 其电阻率都随湿度的增加而下降。如图表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。 2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、 电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时, 导致其表面层电子浓度下降, 但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度, 此时仍以电子导电为主。 于是, 表面电阻将由于电子浓度下降而加大, 这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。 如果对某一种半导瓷, 它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多, 那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。 不过, 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的, 表面电导占的比例很大, 故表面层电阻的升高, 必将引起总电阻值的明显升高; 但是, 由于晶体内部低阻支路仍然存在, 正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。如图给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。3. 典型半导瓷湿敏元件 （1） MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件, 它是负特性半导瓷, MgCr2O4为型半导体, 它的电阻率低, 阻值温度特性好, 结构如图所示, 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。图7.8MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系, 见图7.9所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少, 又随周围环境温度的变化而有所变化。 （2） ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上, 并焊上铂引线, 然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的， 其结构如图所示。 ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度, 而无需加热除污装置, 因此功耗低于0.5 , 体积小, 成本低, 是一种常用测湿传感器。 三、湿敏电容所谓湿电容，是利用具有很大吸湿性的绝缘材料用为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度大时，吸湿性介质吸必收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加，所以电容量增大。吸湿介质： 多孔性气化铝 高分子吸湿膜1. ZHG型湿敏电阻及其应用图7.15为ZHG湿敏电阻的湿度检测电路： 振荡器、对数变换器、滤波器、放大器四、湿敏传感器的应用实例2. 粮食水分测量仪图7.16 所示为粮食水分测量电路： 高压电路、检测电路、电流/电压转换电路、A/D转换电路、显示电路3. MC-2型电容式湿度传感器及其测量电路图7.17 为MC-2型电容式湿度传感器测量电路如图所示是直读式湿度计电路, 其中RH为氯化锂湿度传感器。 由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源, 其振荡频率为2501000 Hz。 电桥输出级变压器T2, C3耦合到VT3, 经VT3放大后的信号, 由VD1VD4桥式整流后, 输入给微安表, 指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变, 经标定并把湿度刻划在微安表盘上, 就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。4. 直读式湿度计制作简易湿度报警器 将婴儿尿湿报警器放在婴儿尿布下面，当婴儿撒尿时，