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第第1 11 1章章 化学传感器化学传感器 化学传感器：化学传感器：能将各种能将各种化学物质特性化学物质特性的变化定的变化定性或定量地转化为电信号的传感器性或定量地转化为电信号的传感器n气体浓度气体浓度n离子浓度离子浓度n空气湿度空气湿度检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第1页/共64页o气敏传感器的气敏传感器的定义定义：n是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏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。环境中存在情况有关的信息。1 11.1 1.1 气敏传感器气敏传感器 1 11.1.1 1.1.1 气敏传感器的基本概念及分类气敏传感器的基本概念及分类检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第2页/共64页气敏传感器的性能要求：气敏传感器的性能要求：o对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体具有较高的灵敏度o对被测气体以外的共存气体或物质不敏感对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 o性能稳定，重复性好性能稳定，重复性好 o动态特性好，对检测信号响应迅速动态特性好，对检测信号响应迅速o使用寿命长使用寿命长 o制造成本低，使用与维护方便等制造成本低，使用与维护方便等 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第3页/共64页气敏传感器的主要参数及特性气敏传感器的主要参数及特性o灵敏度：灵敏度：对气体的敏感程度对气体的敏感程度o响应时间响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度对被测气体浓度的响应速度o选择性：选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力的能力o稳定性：稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力o温度特性：温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性o湿度特性：湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性o电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性性 o时效性与互换性：时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第4页/共64页气敏传感器的分类气敏传感器的分类类类 型型原原 理理检测对象检测对象特特 点点半导体式半导体式 若若气气体体接接触触到到加加热热的的金金属属氧氧化化物物(SnOSnO2 2、FeFe2 2O O3 3、ZnOZnO2 2等等)，电阻值会增大或减小，电阻值会增大或减小还还原原性性气气体体、城城市市排排放气体、丙烷气等放气体、丙烷气等灵灵敏敏度度高高，构构造造与与电电路路简简单单，但但输输出出与与气气体体浓浓度度不不成比例成比例接触燃烧式接触燃烧式 可可燃燃性性气气体体接接触触到到氧氧气气就就会会燃燃烧烧，使使得得作作为为气气敏敏材材料料的的铂铂丝温度升高，电阻值相应增大丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体燃烧气体输输出出与与气气体体浓浓度度成成比比例例，但灵敏度较低但灵敏度较低化学反应式化学反应式利利用用化化学学溶溶剂剂与与气气体体反反应应产产生生的的电电流流、颜颜色色、电电导导率率的的增增加加等等COCO、H H2 2、CHCH4 4、C C2 2H H5 5OHOH、SO SO2 2等等气气体体选选择择性性好好，但但不不能能重重复使用复使用光干涉式光干涉式利利用用与与空空气气的的折折射射率率不不同同而而产产生的干涉现象生的干涉现象与与空空气气折折射射率率不不同同的的气体，如气体，如COCO2 2等等寿命长，但选择性差寿命长，但选择性差热传导式热传导式根根据据热热传传导导率率差差而而放放热热的的发发热热元件的温度降低进行检测元件的温度降低进行检测与与空空气气热热传传导导率率不不同同的气体，如的气体，如H H2 2等等构构造造简简单单，但但灵灵敏敏度度低低，选择性差选择性差红外线吸收红外线吸收散射式散射式由由于于红红外外线线照照射射气气体体分分子子谐谐振振而吸收或散射量进行检测而吸收或散射量进行检测COCO、COCO2 2等等能能定定性性测测量量，但但装装置置大大，价格高价格高检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第5页/共64页11.1.2 半导体半导体式气敏传感器的工作原理o半导体式气敏传感器：半导体式气敏传感器：n利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体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性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度者浓度o半导体式气敏传感器可分为：半导体式气敏传感器可分为：n电阻式电阻式n非电阻式非电阻式检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第6页/共64页半导体式气敏传感器半导体式气敏传感器 电阻式电阻式 烧结型烧结型 薄膜型薄膜型 厚膜型厚膜型 二极管气敏传感器二极管气敏传感器 MOSMOS二极管气敏传感器二极管气敏传感器 PdPdMOSFETMOSFET气敏传感器气敏传感器 非电阻式非电阻式 半导体式气敏传感器的分类半导体式气敏传感器的分类 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第7页/共64页（1）电阻式气敏传感器）电阻式气敏传感器o基本原理基本原理n是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。的。n当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，当半导体器件被加热到稳定状态，在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物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。o当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负半导体表面呈现电荷层。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。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。o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。正离子吸附倾向的气体有放出电子，而形成正离子吸附。正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第8页/共64页o当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N型半导体（型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到上，还原型气体吸附到P型半导体型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。电阻值增大。o当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气型半导体上，氧化型气体吸附到体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。半导体电阻值下降。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器（1）电阻式气敏传感器）电阻式气敏传感器第9页/共64页 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第10页/共64页规则总结：规则总结：o氧化型气体氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电型半导体：载流子数下降，电阻增加阻增加o还原型气体还原型气体N型半导体：载流子数增加，电型半导体：载流子数增加，电阻减小阻减小o氧化型气体氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电型半导体：载流子数增加，电阻减小阻减小o还原型气体还原型气体P型半导体：载流子数下降，电型半导体：载流子数下降，电阻增加阻增加 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第11页/共64页SnO2的灵敏度特性和温湿度特性的灵敏度特性和温湿度特性检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第12页/共64页SnO2气敏电阻的基本检测电路气敏电阻的基本检测电路检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第13页/共64页主要类型主要类型 o烧结型气敏器件烧结型气敏器件 o薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件 o厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第14页/共64页烧结型气敏器件烧结型气敏器件 烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（材料（S Sn nO O2 2、Z Zn nO O等）和一些掺杂剂（等）和一些掺杂剂（P Pt t、P Pb b等）用等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。管座上，加上特制外壳就构成器件。该类器件分为两种结构：该类器件分为两种结构：直热式直热式和和旁热式旁热式。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第15页/共64页直热式气敏器件直热式气敏器件 o直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板化物半导体材料内，兼作一个测量板o缺点：缺点：n热容量小，易受环境气流的影响热容量小，易受环境气流的影响n测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数n加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容易造成器件接触不良易造成器件接触不良检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第16页/共64页旁热式气敏器件旁热式气敏器件 o旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管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，就构成了器件敏半导体材料，就构成了器件o克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第17页/共64页薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件 o制作采用蒸发或溅射的制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如氧化物薄膜（如S Sn nO O2 2、Z Zn nO O等），再引出电极。等），再引出电极。实验证明：实验证明：S Sn nO O2 2和和Z Zn nO O薄薄膜的气敏特性较好膜的气敏特性较好o优点：灵敏度高、响应优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本换性好、产量高、成本低等低等检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第18页/共64页厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件 o厚膜型气敏器件是将厚膜型气敏器件是将S Sn nO O2 2和和Z Zn nO O等材料与等材料与3 31515重重量的硅凝胶混合制成能印量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在氧化铝基片上，在400400800800高温下烧结高温下烧结1 12 2小时小时制成制成o优点：一致性好，机械强优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产度高，适于批量生产 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第19页/共64页电阻式气敏传感器的特点电阻式气敏传感器的特点 o优点：优点：n工艺简单，价格便宜，使用方便；工艺简单，价格便宜，使用方便；n气体浓度发生变化时响应迅速；气体浓度发生变化时响应迅速；n即使是在低浓度下，灵敏度也较高。即使是在低浓度下，灵敏度也较高。o缺点：缺点：n稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。件之间的特性差异大等。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第20页/共64页矿井瓦斯超限报警器工作原理图矿井瓦斯超限报警器工作原理图 11.1.3 气敏传感器的应用气敏传感器的应用检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第21页/共64页 TGSl09 TGSl09型气敏传感器结构图型气敏传感器结构图 自动通风扇自动通风扇检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第22页/共64页气敏电阻放大电路加热电源比较器电路触发电路晶闸管电路排风扇温度补偿喇 叭声光报警驱动 电 路闪光指示油烟(煤气)自动通风扇的原理框图自动通风扇的原理框图 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器自动通风扇自动通风扇第23页/共64页 家用有毒气体报警器电路图家用有毒气体报警器电路图家用有毒气体报警器家用有毒气体报警器检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第24页/共64页1 11.2 1.2 湿敏传感器湿敏传感器 o1 11.2.1 1.2.1 湿敏传感器的基本概念及分类湿敏传感器的基本概念及分类o1 11.2.2 1.2.2 常用湿敏传感器的基本原理常用湿敏传感器的基本原理 o1 11.2.3 1.2.3 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第25页/共64页湿度的定义及其表示方法湿度的定义及其表示方法 所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。它它通常有如下几种表示方法：通常有如下几种表示方法：o绝对湿度（绝对湿度（AHAH）o相对湿度（相对湿度（%RHRH）o露点露点 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第26页/共64页绝对湿度（绝对湿度（AHAH）绝绝对对湿湿度度是是指指单单位位体体积积空空气气内内所所含含水水蒸蒸气气的的质质量量，其其数学表达式为数学表达式为 绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第27页/共64页相对湿度（相对湿度（RHRH）相相对对湿湿度度是是指指待待测测空空气气中中实实际际所所含含的的水水蒸蒸气气分分压压与与相相同同温温度度下下饱饱和和水水蒸蒸气气压压比比值值的的百百分分数数。其其数数学学表表达达式式为：为：相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第28页/共64页露点（温度）露点（温度）o在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度度就称为露点温度检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第29页/共64页湿敏传感器的定义湿敏传感器的定义 就就是是一一种种能能将将被被测测环环境境湿湿度度转转换换成成电电信信号号的装置的装置.主主要要由由两两个个部部分分组组成成：湿湿敏敏元元件件和和转转换换电电路路，除除此此之之外外还还包包括括一一些些辅辅助助元元件件，如如辅辅助助电电源、温度补偿、输出显示设备等源、温度补偿、输出显示设备等.检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第30页/共64页一个理想的湿敏传感器应具备的性能一个理想的湿敏传感器应具备的性能o使用寿命长，稳定性好使用寿命长，稳定性好o 灵敏度高，线性度好，温度系数小灵敏度高，线性度好，温度系数小o 使用范围宽，测量精度高使用范围宽，测量精度高o 响应迅速响应迅速o 湿滞回差小，重现性好湿滞回差小，重现性好 o 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好o 器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低 o 器件感湿特征量应在易测范围内器件感湿特征量应在易测范围内检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第31页/共64页湿敏传感器的主要参数及特性湿敏传感器的主要参数及特性 o感湿特性感湿特性 o湿度量程湿度量程 o灵敏度灵敏度 o湿滞特性湿滞特性 o响应时间响应时间 o感湿温度系数感湿温度系数 o老化特性老化特性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第32页/共64页感湿特性感湿特性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第33页/共64页湿滞特性湿滞特性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第34页/共64页湿敏传感器的分类湿敏传感器的分类 界限电流式湿敏传感器界限电流式湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器电阻式电阻式电容式电容式其它其它电解质式电解质式陶瓷式陶瓷式高分子式高分子式陶瓷式陶瓷式高分子式高分子式光纤湿敏传感器光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、二极管式、石英振子、SAWSAW式、微波式、热导式等式、微波式、热导式等 湿敏传感器的分类湿敏传感器的分类 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第35页/共64页11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理常用湿敏传感器的基本原理 o电阻式湿敏传感器电阻式湿敏传感器 o电容式湿敏传感器电容式湿敏传感器 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第36页/共64页电阻式湿敏传感器电阻式湿敏传感器o电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。量为电阻值。o 根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为：传感器可分为：o 电解质式电解质式o 陶瓷式陶瓷式o 高分子式高分子式检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第37页/共64页电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器 氯氯化化锂锂湿湿敏敏电电阻阻是是利利用用吸吸湿湿性性盐盐类类潮潮解解，离离子子导导电电率率发发生生变变化化而而制制成成的的测测湿湿元元件件。它它由由引引线线、基基片片、感感湿湿层层与与电电极极组组成成。氯氯化化锂锂通通常常与与聚聚乙乙烯烯醇醇组组成成混混合合体体，在在氯氯化化锂锂（LiCl）溶溶液液中中，Li和和Cl均均以以正正负负离离子子的的形形式式存存在在，而而Li对对水水分分子子的的吸吸引引力力强强，离离子子水水合合程程度度高高，其其溶溶液液中中的的离离子子导导电电能能力力与与浓浓度度成成正正比比。当当溶溶液液置置于于一一定定温温湿湿场场中中，若若环环境境相相对对湿湿度度高高，溶溶液液将将吸吸收收水水分分，使使浓浓度度降降低低，因因此此，其其溶溶液液电电阻阻率率增增高高。反反之之，环环境境相相对对湿湿度度变变低低时时，则则溶溶液液浓浓度度升升高高，其其电电阻阻率率下下降降，从从而而实实现现对湿度的测量。对湿度的测量。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第38页/共64页湿敏电阻结构示意图湿敏电阻结构示意图 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器第39页/共64页氯化锂湿度氯化锂湿度电阻特性曲线电阻特性曲线 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器第40页/共64页 氯氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的优优点点：滞滞后后小小，不不受受测测试试环环境境风风速速影响，影响，检测精度高达检测精度高达%缺缺点点：耐耐热热性性差差，不不能能用用于于露露点点以以下下测测量量，器器件件性性能能重复性不理想，使用寿命短重复性不理想，使用寿命短检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器第41页/共64页陶瓷式电阻湿敏传感器陶瓷式电阻湿敏传感器 通通常常，用用两两种种以以上上的的金金属属氧氧化化物物半半导导体体材材料料混混合合烧烧结结而而成成为为多多孔孔陶陶瓷瓷。这这些些材材料料有有ZnO-LiO2-V2O5系系、Si-Na2O-V2O5系系、TiO2-MgO-Cr2O3系系、Fe3O4等等，前前三三种种材材料料的的电电阻阻率率随随湿湿度度增增加加而而下下降降，故故称称为为负负特特性性湿湿敏敏半半导导体体陶陶瓷瓷，最最后后一一种种的的电电阻阻率率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第42页/共64页 1.负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 由由于于水水分分子子中中的的氢氢原原子子具具有有很很强强的的正正电电场场，当当水水在在半半导导瓷瓷表表面面吸附时，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如果果该该半半导导瓷瓷是是型型半半导导体体，则则由由于于水水分分子子吸吸附附使使表表面面电电势势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降若若该该半半导导瓷瓷为为型型，则则由由于于水水分分子子的的附附着着使使表表面面电电势势下下降降，如如果果表表面面电电势势下下降降较较多多，不不仅仅使使表表面面层层的的电电子子耗耗尽尽，同同时时吸吸引引更更多多的的空空穴穴达达到到表表面面层层，有有可可能能使使到到达达表表面面层层的的空空穴穴浓浓度度大大于于电电子子浓浓度度，出出现现所所谓谓表表面面反反型型层层，这这些些空空穴穴称称为为反反型型载载流流子子。它它们们同同样样可可以以在在表表面面迁迁移移而而表表现现出出电电导导特特性性，使使N N型型半半导导瓷瓷材材料料的的表表面面电电阻下降阻下降 不不论论是是型型还还是是型型半半导导体体陶陶瓷瓷，其其电电阻阻率率都都随随湿湿度度的的增增加加而下降而下降.检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第43页/共64页几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第44页/共64页 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 正正特特性性湿湿敏敏半半导导瓷瓷的的导导电电机机理理的的解解释释可可以以认认为为这这类类材材料料的的结结构构、电电子子能能量量状状态态与与负负特特性性材材料料有有所所不不同同。当当水水分分子子附附着着半半导导瓷瓷的的表表面面使使电电势势变变负负时时，导导致致其其表表面面层层电电子子浓浓度度下下降降，但但这这还还不不足足以以使使表表面面层层的的空空穴穴浓浓度度增增加加到到出出现现反反型型程程度度，此此时时仍仍以以电电子子导导电电为为主主。于于是是，表表面面电电阻阻将将由由于于电电子子浓浓度度下下降降而而加加大大，这这类类半半导导瓷瓷材材料料的的表表面面电电阻阻将将随随湿湿度度的的增增加加而而加加大大。通通常常湿湿敏敏半半导导瓷瓷材材料料都都是是多多孔孔的的，表表面面电电导导占占的的比比例例很很大大，故故表表面面层层电电阻的升高，阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。必将引起总电阻值的明显升高。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第45页/共64页 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性半导瓷的正湿敏特性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第46页/共64页 几种几种 典型陶瓷湿敏传感器（自学）典型陶瓷湿敏传感器（自学）（1）MgCr2O4-TiO2湿湿敏敏元元件件 氧氧化化镁镁复复合合氧氧化化物物-二二氧氧化化钛钛湿湿敏敏材材料料通通常常制制成成多多孔孔陶陶瓷瓷型型“湿湿电电”转转换换器器件件，它它是是负负特特性性半半导导瓷瓷，MgCr2O4为为型型半半导导体体，它它的的电电阻阻率率低低，阻阻值温度特性好，值温度特性好，检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第47页/共64页MgCr2O4-TiO2陶瓷陶瓷 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器 几种几种 典型陶瓷湿敏传感器（自学）典型陶瓷湿敏传感器（自学）第48页/共64页MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器感湿特性陶瓷湿度传感器感湿特性检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器 几种几种 典型陶瓷湿敏传感器（自学）典型陶瓷湿敏传感器（自学）第49页/共64页 （2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿湿敏敏元元件件的的结结构构是是将将多多孔孔材材料料的的金金电电极极烧烧结结在在多多孔孔陶陶瓷瓷圆圆片片的的两两表表面面上上，并并焊焊上上铂铂引引线线，然然后后将将敏敏感感元元件件装装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器 几种几种 典型陶瓷湿敏传感器（自学）典型陶瓷湿敏传感器（自学）第50页/共64页ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器 几种几种 典型陶瓷湿敏传感器（自学）典型陶瓷湿敏传感器（自学）第51页/共64页陶瓷式电阻湿敏传感器的特点陶瓷式电阻湿敏传感器的特点 o传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；与脱却；o陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；o可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。造，改善传感器湿敏特性。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第52页/共64页高分子式电阻湿敏传感器高分子式电阻湿敏传感器 o利利用用高高分分子子电电解解质质吸吸湿湿而而导导致致电电阻阻率率发发生生变变化化的的基基本本原原理理来来进进行行测测量量的。的。o当当水水吸吸附附在在强强极极性性基基高高分分子子上上时时，随随着着湿湿度度的的增增加加吸吸附附量量增增大大，吸吸附附水水之之间间凝凝聚聚化化呈呈液液态态水水状状态态。在在低低湿湿吸吸附附量量少少的的情情况况下下，由由于于没没有有荷荷电电离离子子产产生生，电电阻阻值值很很高高；当当相相对对湿湿度度增增加加时时，凝凝聚聚化化的的吸吸附附水水就就成成为为导导电电通通道道，高高分分子子电电解解质质的的成成对对离离子子主主要要起起载载流流子子作作用用。此此外外，由由吸吸附附水水自自身身离离解解出出来来的的质质子子（H H+）及及水水和和氢氢离离子子（H H3 3O O+）也也起起电电荷荷载载流流子子作作用用，这这就就使使得得载载流流子子数数目目急急剧剧增增加加，传传感感器器的的电电阻阻急急剧剧下下降降。利利用用高高分分子子电电解解质质在在不不同同湿湿度度条条件件下下电电离离产产生生的的导导电电离离子子数数量量不不等等使使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。o 高高分分子子式式电电阻阻湿湿敏敏传传感感器器测测量量湿湿度度范范围围大大，工工作作温温度度在在0 05050，响应时间短（响应时间短（3030s s），），可作为湿度检测和控制用。可作为湿度检测和控制用。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第53页/共64页（2）电容式湿敏传感器）电容式湿敏传感器 o电容式湿敏传感器是有效利用湿敏元件电容量随湿度变电容式湿敏传感器是有效利用湿敏元件电容量随湿度变化的特性来进行测量的，通过检测其电容量的变化值，化的特性来进行测量的，通过检测其电容量的变化值，从而间接获得被测湿度的大小。从而间接获得被测湿度的大小。电容式湿敏传感器结构图电容式湿敏传感器结构图 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第54页/共64页o电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好，因此在实际中得到了广泛的应用 电容式湿敏传感器感湿特性电容式湿敏传感器感湿特性 检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器（2）电容式湿敏传感器）电容式湿敏传感器 第55页/共64页11.2.3 湿敏传感器测量电路湿敏传感器测量电路检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第56页/共64页(a)a)安装示意图安装示意图(b)b)电路电路 汽车后窗玻璃自动去湿装置汽车后窗玻璃自动去湿装置11.2.3 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第57页/共64页湿度控制器电路原理图湿度控制器电路原理图 房间湿度控制器房间湿度控制器检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第58页/共64页 录像机结露检测电路录像机结露检测电路 录像机结露报警控制电路录像机结露报警控制电路检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第59页/共64页检测技术检测技术本章小结本章小结 1 1、气敏传感器的基本原理与应用；、气敏传感器的基本原理与应用；2 2、湿敏传感器的基本原理与应用；、湿敏传感器的基本原理与应用；第第1111章章 化学传感器化学传感器第60页/共64页一、单项选择题一、单项选择题1、气敏传感器中的加热器是为了（气敏传感器中的加热器是为了（）A去除吸附在表面的气体去除吸附在表面的气体 B.去除吸附在表面的油污和去除吸附在表面的油污和尘埃尘埃C去除传感器中的水分去除传感器中的水分 D.起温度补偿作用起温度补偿作用2、绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的（绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的（）。）。A.质量质量 B.体积体积 C.程度程度 D.浓度浓度3、相对湿度是气体的绝对湿度与同一（相对湿度是气体的绝对湿度与同一（）下水蒸汽达到饱和）下水蒸汽达到饱和时的气体的绝对湿度之比。时的气体的绝对湿度之比。A.体积体积 B.温度温度 C.环境环境 D.质量质量4、湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的（湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的（）输出的器件式装置。）输出的器件式装置。A.电流电流 B.电压电压 C.电量电量 D.电阻电阻BA检测技术检测技术11.3 11.3 习习 题题 第第1111章章 化学传感器化学传感器BC第61页/共64页一、单项选择题一、单项选择题5、响应时间反映湿敏元件在相对（响应时间反映湿敏元件在相对（）变化时输出特征量）变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。随相对湿度变化的快慢程度。A.时间时间 B.温度温度 C.空间空间 D.湿度湿度6、气体传感器是指能将被测气体的（气体传感器是指能将被测气体的（）转换为与其成一）转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。定关系的电量输出的装置或器件。A.成分成分 B.体积体积 C.浓度浓度 D.压强压强7、半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成（造成（）发生变化，借此检测特定气体的成分及其浓度。）发生变化，借此检测特定气体的成分及其浓度。A.半导体电阻半导体电阻 B.半导体上电流半导体上电流 C.半导体上电压半导体上电压 D.半导体半导体性质性质DA检测技术检测技术11.3 11.3 习习 题题 第第1111章章 化学传感器化学传感器D第62页/共64页二二、填空题、填空题1、气体传感器、气体传感器(或气敏元件或气敏元件)对被测气体敏感程度的特性称为传感对被测气体敏感程度的特性称为传感器的器的 。2、湿度是表示大气、湿度是表示大气 程度的物理量。程度的物理量。3、保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化、保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的的最大范围，称为这个湿敏元件的 。4、每一种湿敏元件都有其、每一种湿敏元件都有其 ，如电阻、电容、电压、，如电阻、电容、电压、频率等。频率等。5、湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为、湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量该元件的感湿特征量相对湿度特性曲线，简称相对湿度特性曲线，简称 。6、人们希望特性曲线应当在全量程上是、人们希望特性曲线应当在全量程上是 的，曲线各处斜率的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度相等，即特性曲线呈直线。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度 ；斜率过大，；斜率过大，降低，这些都会给测量带来困难。降低，这些都会给测量带来困难。检测技术检测技术11.3 11.3 习习 题题 第第1111章章 化学传感器化学传感器灵敏度灵敏度干湿干湿湿度量程湿度量程感湿特征量感湿特征量感湿特性曲线感湿特性曲线连续连续降低降低稳定性稳定性第63页/共64页11.3 11.3 习习 题题 三、简答题三、简答题1、气体传感器必须满足哪些基本条件？气体传感器必须满足哪些基本条件？2、简要说明一下一个理想化的湿敏器件所应具备哪些性能参简要说明一下一个理想化的湿敏器件所应具备哪些性能参数。数。检测技术检测技术第第1111章章 化学传感器化学传感器第64页/共64页