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第11章化学传感器知识单元与知识点化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义；湿度的表示方法（绝对湿度、相对湿度和露点）；气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；气敏传感器、湿敏传感器的应用。能力点理解化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义；了解湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；会分析半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。重难点重点：基本概念；气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理。难点：半导体陶瓷湿敏材料的导电机理。学习要求了解化学传感器、气敏传感器、湿敏传感器的定义及湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；掌握半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。物理传感器与化学传感器 在人类的感觉中，视觉、听觉和触觉获取的是物理信息在人类的感觉中，视觉、听觉和触觉获取的是物理信息（光，力），与之相关的传感器被分类为物理传感器。嗅觉、（光，力），与之相关的传感器被分类为物理传感器。嗅觉、味觉获取的是化学信息（化学物质的浓度，组成），称为化学味觉获取的是化学信息（化学物质的浓度，组成），称为化学传感器。传感器。人的感觉有种种局限，它对许多有味物质的感觉比较迟人的感觉有种种局限，它对许多有味物质的感觉比较迟钝，同时能感觉到的化学对象的种类亦有限。比如人的嗅觉不钝，同时能感觉到的化学对象的种类亦有限。比如人的嗅觉不能识别有毒的能识别有毒的COCO，因而常常在不知不觉中中毒。，因而常常在不知不觉中中毒。种类繁多的化学传感器的出现，突破了人类感官的局限，种类繁多的化学传感器的出现，突破了人类感官的局限，比如，半导体气体传感器对人鼻嗅之无味的比如，半导体气体传感器对人鼻嗅之无味的COCO有着非常灵敏的有着非常灵敏的检测能力。检测能力。化学传感器的概念11.1 气敏传感器11.2 湿敏传感器 化学传感器化学传感器：能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为电信号的传感器气体的成份与浓度离子或电解质浓度空气湿度二、化学传感器的分类1、按工作原理分：电化学式光化学式热学式质量式 电流型电位型电导型你能描述下这三种传感器的工作原理吗？电位型传感器（potentiometric sensors）是将溶解于电解质溶液中的离子作用于离子电极而产生的电动势作为传感器的输出而取出，从而实现离子的检测；电流型传感器（amperometric sensor）是在保持电极和电解质溶液的界面为一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出而取出，从而实现化学物质的检测；电导型传感器是以被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作为传感器的输出而取出，从而实现物质的检测。2、按换能器操作原理分化学传感器光学式器件电学式器件质量敏感型器件磁学式器件热学式器件其他3、按检测对象分类化学传感器离子传感器离子选择性液膜型离子固体膜型湿度传感器湿度传感器电阻式电容式其他生物传感器微生物传感器酶传感器免疫传感器气体传感器气体传感器半导体接触燃烧型固体电解质电解型气敏传感器的定义：是能够感知环境中某种气体某种气体及其浓度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。11.1 气敏传感器 气敏传感器是能够感知环境中 填空1 及其 填空2 的敏感器件作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题2分气敏传感器的性能要求 对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等 专一性气敏传感器的主要参数及特性灵敏度灵敏度：对被测气体(种类)的敏感程度响应时间响应时间：对被测气体浓度的响应速度选择性选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力稳定性稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力温度特性温度特性：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电源电压特性电源电压特性：指气敏元件灵敏度灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性时效性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；互换性：互换性：同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 选择性是指在多种气体共存的条件下，气敏元件 填空1 的能力作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分气敏元件的稳定性反映了（）的能力对被测气体浓度的高速响应区分气体种类抗干扰灵敏度不随电源电压变化ABCD提交单选题1分气敏传感器的分类类 型原 理检测对象特 点半导体式半导体式 若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷气等灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式 可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率不同的气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体，如H2等构造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高11.1.2 半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏传感器概念：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者浓度半导体式气敏传感器可分为：电阻式非电阻式半导体式气敏传感器 电阻式 烧结型 薄膜型 厚膜型 二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 PdMOSFET气敏传感器 非电阻式 半导体式气敏传感器的分类（1）电阻式气敏传感器基本原理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。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上自由扩散(物理吸附)，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）。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得电子而变成负离子吸附负离子吸附，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型气体。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。具有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型气体。气体吸附规律当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。氧化性气体+P型半导体，电阻 填空1。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分规则总结：氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 N型：电子型：电子N型：空穴型：空穴提供电子提供电子接收电子接收电子还原性气体+N型半导体，电阻 填空1。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂可为此题添加文本、图片、公式等解析，且需将内容全部放在本区域内。正常使用需3.0以上版本还原性气体供给电子；N型半导体主要载流子为电子；因此还原型气体解除N型半导体后，因向半导体材料提供电子，导致半导体材料电子进一步增多答案解析填空题1分答案解析 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 SnO2的灵敏度特性和温湿度特性SnO2气敏电阻的基本检测电路主要类型 烧结型气敏器件 薄膜型气敏器件 厚膜型气敏器件 烧结型气敏器件（10_1_01 7:41）烧结型气敏器件的制作是将敏感材料（SnO2、ZnO等）和掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，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管座上，加上特制外壳就构成器件。分为两种结构：直热式直热式和旁热式旁热式。直热式气敏器件 直热式器件管芯体积很小，加热丝加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量极兼作一个测量极缺点：热容量小，易受环境气流的影响测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数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旁热式气敏器件 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敏半导体材料，就构成了器件克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高薄膜型气敏器件 制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层薄层金属氧化物薄膜金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等厚膜型气敏器件 厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与315重量的硅凝胶混合制成能印刷的能印刷的厚膜胶厚膜胶，把厚膜胶用丝网印用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基制到装有铂电极的氧化铝基片上片上，在400800高温下烧结烧结12小时制成优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产 电阻式气敏传感器的特点 优点：工艺简单，价格便宜，使用方便；气体浓度发生变化时响应迅速；即使是在低浓度下，灵敏度也较高。缺点：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。气敏传感器QM-N5为对瓦斯敏感元件。闭合开关S，4V电源通过R1对气敏元件QM-N5预热。当矿井无瓦斯或瓦斯浓度很低时当矿井无瓦斯或瓦斯浓度很低时，气敏元件的A与B间等效电阻很大，经与电位器RP分压，其动触点电压 Ug 0.7V，不能触发晶闸管VT。因此，由LC179和R2组成的警笛振荡器无供电，扬声器不发声；如果瓦斯浓度超过安全标准如果瓦斯浓度超过安全标准，气敏元件的A和B间的等效电阻迅速减小，致使 Ug 0.7V而触发VT导通，接通警笛电路的电源，警笛电路产生振荡，扬声器发出报警声。电位器电位器RP设定报警浓度。设定报警浓度。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 TGSl09型气敏传感器结构图 自动通风扇 家用有毒气体报警器电路图家用有毒气体报警器11.2 湿敏传感器 11.2.1 湿敏传感器的基本概念及分类11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 11.2.3 湿敏传感器的应用 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。它通常有如下几种表示方法：绝对湿度（AH）相对湿度（%RH）露点 绝对湿度（AH）绝对湿度是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，其数学表达式为 绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量水分在空气中的具体含量。相对湿度（RH）相对湿度是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。其数学表达式为：相对湿度给出了大气的潮湿程度大气的潮湿程度。实际中常用。露点（温度）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，空气中的水蒸气达到空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度这一特定温度就称为露点温度那么，在一定大气压下，湿度越大，露点越 填空1;反之亦然作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分湿敏传感器的定义 就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等 一个理想的湿敏传感器应具备的性能使用寿命长，稳定性好 灵敏度高，线性度好，温度系数小 使用范围宽，测量精度高 响应迅速 湿滞回差小，重现性好 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好 器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低 器件感湿特征量应在易测范围内湿敏传感器的主要参数及特性10_2_02 感湿特性感湿特性 感湿特性为湿敏传感器特征量(如：电阻值、电容值等)随湿度变化的特性湿度量程湿度量程 湿敏传感器的感湿范围 灵敏度灵敏度 湿敏传感器的感湿特征量(如：电阻值、电容值等)随环境湿度变化的程度，即湿敏传感器感湿特性曲线的斜率湿滞特性湿滞特性 同一湿敏传感器吸湿过程（相对湿度增大）和脱湿过程（相对湿度减小）感湿特性曲线不重合的现象就称为湿滞特性。响应时间响应时间 指在一定环境温度下，当被测相对湿度发生跃变时，湿敏传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定比例所需的时间。一般以相应的起始湿度到终止湿度这一变化区间的90%的相对湿度变化所需的时间来进行计算。感湿温度系数感湿温度系数 当被测环境湿度恒定不变时，温度每变化1，引起湿敏传感器感湿特征量的变化量，就称为感湿温度系数。老化特性老化特性 老化特性是指湿敏传感器在一定温度、湿度环境下存放一定时间后，其感湿特性将会发生改变的特性。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11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 电阻式湿敏传感器 电容式湿敏传感器 电阻式湿敏传感器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，其感湿特征量为电阻值。根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为：电解质式陶瓷式高分子式电解质式（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。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。湿敏电阻结构示意图 氯化锂湿度电阻特性曲线 氯化锂湿敏元件的优优点点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达%缺缺点点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短陶瓷式电阻湿敏传感器陶瓷式电阻湿敏传感器 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。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，故称为负负特特性性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性正特性湿敏半导体陶瓷 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，当水在半导体陶瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负电若该半半导导体体陶陶瓷瓷是是型型半半导导体体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降 若该半半导导体体陶陶瓷瓷为为型型半半导导体体，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，出现所谓表表面面反反型型层层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性 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 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以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表面电阻将随湿度的增加而加大。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。Fe3O4半导体陶瓷的正湿敏特性 半导体陶瓷材料的导电机理分类半导体陶瓷材料的导电机理分类 几种典型陶瓷湿敏传感器（自学）几种典型陶瓷湿敏传感器（自学）（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，MgCr2O4-TiO2陶瓷 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器感湿特性 （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金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ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构 陶瓷式电阻湿敏传感器的特点 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；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；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。高分子式电阻湿敏传感器 利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的。当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水分子凝聚呈液态水状态。在低湿低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高电阻值很高；当相对湿湿度度增增加加时，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要起载流子作用。此外，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+）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加载流子数目急剧增加，传感器的电阻急剧下降电阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。高分子式电阻湿敏传感器测量湿度范围大，工作温度在050，响应时间短（30s），可作为湿度检测和控制用。（2）电容式湿敏传感器 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，从而间接获得被测湿度的大小。电容式湿敏传感器结构图 电容式湿敏传感器属于变 填空1 式电容传感器作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好检测范围宽，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 11.2.3湿敏传感器测量电路湿敏传感器测量电路上图为一种带温度补偿的湿度测量电路，图中Rt是热敏电阻（20k，B4100K）；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904。该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在相对湿度为30%90%RH、温度为1535范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3%RH。实际上测电阻的电路很多(a)安装示意图(b)电路 汽车后窗玻璃自动去湿装置11.2.3 湿敏传感器的应用 在常温常湿常温常湿情况下，调节好各电阻值，因RH阻值较大，使T1管导通，T2管截止，继电器J不工作，其常开触点J1断开，加热电阻RL无电流流过。当汽车内外温差较大，且湿度过大时湿度过大时，将导致湿敏电阻RH的阻值减小，不足以维持T1管导通，此时T1管截止，T2管导通，使其负载继电器J通电，控制常开触点J1闭合，加热电阻丝RL开始加热，驱散后窗玻璃上的湿气，同时加热指示灯亮。当玻璃上湿度减小到一定程度时，随着RH增大，施密特电路又开始翻转到初始状态，T1管导通，T2管截止，常开触点J1断开，RL断电停止加热，从而实现了防湿自动控制。本章作业P270：11.1、11.2、11.4、11.6