气敏传感器.doc

2、3 气敏、湿敏电阻传感器
2、3、1气敏电阻
在现代社会得生产与生活中，人们往往会接触到各种各样得气体，需要对它们进行检测与控制。比如化工生产中气体成分得检测与控制；煤矿瓦斯浓度得检测与报警；环境污染情况得监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况得检测与控制等等。气敏电阻传感器就就是一种将检测到得气体得成分与浓度转换为电信号得传感器。
1、气敏电阻得工作原理及其特性
气敏电阻就是一种半导体敏感器件，它就是利用气体得吸附而使半导体本身得电导率发生变化这一机理来进行检测得。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。
图2、26 气敏电阻灵敏度与温度得关系
以SnO2气敏元件为例，它就是由0、1～10μm得晶体集合而成，这种晶体就是作为N型半导体而工作得。在正常情况下，就是处于氧离子缺位得状态。当遇到离解能较小且易于失去电子得可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体得载流子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它得晶格就是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。
气敏电阻得温度特性如图2、26所示，图中纵坐标为灵敏度，即由于电导率得变化所引起在负载上所得到得值号电压。由曲线可以瞧出，SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大得变化，因此气敏元件在使用时需要加温。此外，在气敏元件得材料中加入微量得铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时得灵敏度，也可增强对气体种类得选择性。
2、常用得气敏电阻
气敏电阻根据加热得方式可分为直热式与旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层得不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面较广。
（1）氧化锌系气敏电阻
ZnO就是属于N型金属氧化物半导体，也就是一种应用较广泛得气敏器件。通过掺杂而获得不同气体得选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高得灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高得灵敏度。ZnO气敏电阻得结构如图2、27所示。这种气敏元件得结构特点就是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。例如生活环境中得一氧化碳浓度达0、8～1、15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1、84ml/L时则有在几分钟内死亡得危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2 金属氧化物半导体气敏材料，通过对颗粒超微细化与掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0、005%～0、5%范围得CO气体。

图2、27 ZnO气敏电阻结构 图2、28 γ-Fe2O3气敏电阻结构
1．催化剂；2．隔膜；3．ZnO涂层；4．加热丝； 1．双层网罩；2．烧结体；3．加热线圈；4．引脚
5．绝缘基板；6．电极
（2）氧化铁系气敏电阻
图2、28就是γ-Fe2O3材料制成得气敏电阻整体结构。当还原性气体与多孔得γ-Fe2O3接触时，气敏电阻得晶粒表面受到还原作用转变为Fe3O4，其电阻串迅速降低。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。
3．气敏电阻得应用
气敏电阻由于具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长、成本低等特点，广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面得报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO2等气体得测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。
（1）气体检漏仪
它就是利用气敏元件得气敏特性，将其作为电路中得气一电转换元件配以相应得电路、指示仪表或声光显示部分而组成得气体检测仪器。该类仪器具有灵敏度高、体积小、使用方便等特点。图2、29就是采用QM-N5型气敏元件组成得简易袖珍式气体检漏仪原理图，其电路简单，集成化，仅用了一块四与非门集成电路，可用镉镍电池供电，用压电蜂鸣器与发光二极管进行声光报警。气敏元件安装在探测杆端部进行探测时，它可从机内拉出。
对检漏现场有防爆要求时，必须用防爆气体检漏仪进行检漏，与普通检漏仪相比，这种检漏仪仪器壳体结构及有关部件要根据探测气体与防爆等级要求进行设计，采用QM-N5型气敏元件作气-电转换元件，用电子吸气泵进行气体取样，用指针式仪表指示气体浓度，由蜂鸣器进行报警。

图2、29 采用QM-N5型气敏元件组成得简易袖珍式气体检漏仪原理图
（2）有毒有害气体报警器
如图2、30所示，在室内空气正常情况下，555电路输出端3脚为高电平。当气敏元件检测到可燃性气体时，如煤气、液化石油气、汽油、酒精、烟雾等有毒有害气体，气敏电阻急剧下降，555得2脚电位高于V时，555工作状态返转，3脚变为低电平，继电吸合，接通报警器电源，报警发出报警声，提醒用户注意。同时发光二极管LED2（红色）闪亮。正常情况下，LED1（绿色）亮，可用作电源指示。气敏电阻需要一个稳定得加热电压．其值约5V，可通过RP1、R1得分压来确定。电位器RP2用于调整555触发端2脚得触发电平，正常条件下约为3、5V。本电路中得继电器还可控制机外得报警器或排气扇等设施。

图2、30 有毒有害气体报警器电路
（3）矿灯瓦斯报警器
图2、31为矿灯瓦斯报警器电原理图。瓦斯探头由QM-N5型气敏元件、R1及4V矿灯蓄电池等组成。RP为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯超过某一设定点时，RP输出信号通过二极管V1加到V2基极上，V2导通，V3、V4便开始工作。V3、V4为互补式自激多谐振荡器，它们得工作使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。

图2、31 矿灯瓦斯报警器原理图
2、3、2、湿敏电阻
随着现代工业技术得发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了高精度高可靠性测量与控制湿度得要求。因此，各种湿敏元件不断出现。利用湿敏电阻进行湿度测量与控制具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测与集中控制等优点。湿敏电阻就是利用湿敏材料吸收空气中得水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成得。
1、湿敏电阻常见类型
（1）半导体陶瓷湿敏元件
铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件就是较常用得一种湿度传感器，它就是由MgCr2O4-TiO2固熔体组成得多孔性半导体陶瓷。这种材料得表面电阻值能在很宽得范围内随湿度得增加而变小，即使在高湿条件下，对其进行多次反复得热清洗，性能仍不改变。图2、32为这种湿敏元件得结构示意图。该元件采用了MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷，电极材料二氧化钌通过丝网印制到陶瓷片得两面，在高温烧结下形成多孔性电极。在陶瓷片周围装置有电阻丝绕制得加热器，以450℃/min对陶瓷表面进行热清洗。湿敏电阻得电阻-相对湿度特性曲线如图2、33所示。

图2、32 MgCr2O4-TiO2湿敏元件结构 图2、33 电阻-湿度特性曲线
1．感湿陶瓷；2．二氧化钌电极；3．加热器；4．基板；5．引线
（2）氯化锂湿敏电阻
图2、34就是氯化锂湿敏电阻得结构图。它就是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇得氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。氯化锂就是潮解性盐，这种电解质溶液形成得薄膜能随着空气中水蒸汽得变化而吸湿或脱湿。感湿膜得电阻随空气相对湿度变化而变化，当空气中湿度增加时，感湿膜中盐得浓度降低。

图2、34 氯化锂湿敏电阻得结构 图2、35 高分子膜湿敏电阻与特性
1．感湿膜；2．电极；3．绝缘基板；4．引线
（3）有机高分子膜湿敏电阻
有机高分子膜湿敏电阻就是在氧化铝等陶瓷基板上设置梳状型电极，然后在其表面涂以具有感湿性能，又有导电性能得高分子材料得薄膜，再涂复一层多孔质得高分子膜保护层。这种湿敏元件就是利用水蒸汽附着于感湿薄膜上，电阻值与相对湿度相对应这一性质。由于使用了高分子材料，所以适用于高温气体中湿牢得测量。图2、35就是三氧化二铁-聚乙二醇高分子膜湿敏电阻得结构与特性。
2、湿敏电阻得应用
（1）简易湿度测量
湿度测量得关键在于湿度传感器，本测量器采用湿度传感器H204C传感器H204C工作时要求加交流电信号，因为加直流电压将因器件内部发生电解作用而减少使用寿命，甚至损坏。为此，在电路中采用了555振荡源，如图2、36所示，555与R1、RP1、C1组成无稳态多谐振荡器，f=1、44/（RP1 +2R1）C1，图示参数得振荡频率在700～1000Hz范围，调节RP1，以选定最佳工作交流电压提供给传感器H204C。IC2、IC3选用低功耗四运放LM2902，H204C跨接在IC2输出端1脚与反相端2脚之间，与R4、C3等组成对数压缩电路。IC3（LM2902）接成AC／DC转换电路，将IC2来得1000Hz交流信号变换成直流信号，经滤波后加至数字电压表或150μA左右量程得直流电表，用以指示温度及其变化情况。

图2、36 简易湿度测量电路
（3）室内湿度控制
如图2、37所示，湿度控制器由降压整流电路、湿度传感头、定时控制（排气扇）电路等组成，用于当室内得相对湿度超过某一值（如80％）时，启动排气扇，直至相对湿度降至规定得值。

（a）电路图 （b）特性曲线
图2、37 室内湿度控制电路
降压整流电路为控制器提供VDD=1OV得电源电压。湿度传感器采用型号为HOS201得湿敏电阻。它得特性如图2、37（b）所示。当相对湿度从40～8O％变化时，阻值变化范围从约700MΩ变至约700kΩ，因而使IC（555）得2脚电平从低电平变至高电平（）。IC与湿敏传感网络及R5、C1等组成单稳态定时电路。当湿度超过预定值时，555得2脚呈高电平，SCR触发导通，将排气扇电源接通，进行排气降温。排放时间由定时时间常数R5C1与控制端5脚得电平所决定。调节RP1，便可预置排放时间。
小结：
气敏电阻传感器就是一种将检测到得气体得成分与浓度转换为电信号得传感器。气敏电阻就是一种半导体敏感器件，它就是利用气体得吸附而使半导体本身得电导率发生变化这一机理来进行检测得。
湿敏电阻传感器就是进行湿度测量与控制得传感器，湿敏电阻就是利用湿敏材料吸收空气中得水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成得。具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测与集中控制等优点。