第八章 气敏湿敏传感器(讲)

（1）电容—湿度特性
其电容随着环境温度的增加而增加,基本 上呈线性关系。当测试频率为l.5MHz左右 时,其输出特性有良好的线性度。对其它测 试频率,如1kHz、10kHz，尽管传感器的 电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转 换电路,使电容—湿度特性趋于理想直线。
C/pF 350 （f=1.5MHZ） 300 250 200 0 100 50 相对湿度/% 电容—湿度特性
(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400~800℃的温度下烧结1—2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。 ◆以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时， 加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉， 同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏 度和响应速度。
1）电容式湿度传感器
（a)、结构
高分子薄膜电介质电容式湿度传 感器的基本结构。
(b)、感湿机理与性能 电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电 极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时 约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水 分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随 着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多 ，因而湿度传感器的电容量增加。所以根据电容量 的变化可测得相对湿度。
氧化钌电极 感湿陶瓷
1）、结构
加热器
护圈电极
基板
电极引线
陶瓷湿敏元件结构图
2）、主要特性与性能 （a）电阻一湿度特性
MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随 着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在 单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度 由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数 量级。
也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。
该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多 孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而 增大。粒间气孔与颗粒大小无关, 相当于一种开口毛细管,容易吸 附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体 是一个多晶多相的混合物。
第八章 气、湿敏传感器
一、气敏传感器
二、湿敏传感器
8.1 气敏传感器
• 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
• 它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气 敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最 多的是半导体气敏传感器。
• 它的应用主要有：
• 一氧化碳气体的检测
• 瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、 R12）的检测 • 呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
• 气敏传感器将浓度有关的信息转换成电信号， 根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体 在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进 行检测、监控、报警； • 还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、 控制和报警系统。
由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。
电解质氯化锂湿度传感器最为典型
R/108 10 Ω ① PVAC 1 ② 0.25% LiCl ③ 0.5% LiCl 0. ④ 1.0 % 1 Li ⑤Cl 0.01 0 30 6 90 2.2%LiCl 相对湿度/% 0
⑤④ ③ ②
①
R/108 10Ω
1 0.1 0.01 0 30 60 90 相对湿度/%
1、电解质湿度传感器
电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质 和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下 ，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为 液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关， 而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函 数。如由氯化锂与聚乙烯醇组成的混合体。 。
◆金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后 却显示气敏特性。
(半导体的功函数与气体吸附分子的亲和力或离 解能比较）： 通常器件工作在空气中，空气中的氧和NO2这 样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材 料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材 料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使 表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一 旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的 氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感 膜表面电导增加，使元件电阻减小。
3.测量电路
城市煤气报警器（甲烷、一氧化碳、酒精）
检测停车场内有害气体浓度
8.2 湿敏传感器
主要应用有：
精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所； 气象预报； 医疗卫生； 食品加工； 农业生产等行业。
分类： 电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电 极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子 导电，随湿度升高而电阻减小。
R/Ω
108 107 106
105
104 103 20 40 60 80 100 相对湿度/%
（b）电阻—温度特性
是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特 性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具 有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要 求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。
聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性
（3）其它特性
优点：升湿响应时间比较快，降湿响应时间比较慢，响应时 间在一分钟之内。湿滞比较小，在(1％～2％)RH之间。这种湿度 传感器具有良好的稳定性。存储一年后，其最大变化不超过2％ RH，完全可以满足器件稳定性的要求。 缺点：对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另 外不能用于80℃以0℃ 40℃
106
105 104 103 20
60℃
80℃
40
60
80 100 相对湿度/%
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性
（c）响应时间
响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应 时间小于10s。
%RH 100 80 60 40 1%RH 50%RH 94%RH 50%RH
20
0 10 20 30 t /s
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
（d）稳定性
制成的MgCr2O4-TiO2 系陶瓷类湿度传感器，需要实验：高 温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h)；高 温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V， 时间104h)；常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～ ＋40℃)]；油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电 压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地 工作，说明稳定性比较好。
10K 1K 30 脱湿 40
Δ<± 3%RH
50
60
70
80 90 相对湿度/%
电阻—湿度特性
（2）温度特性
聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温 度系数。在(0～55)℃时，温度系数为(–0.6％～–1.0％)RH/℃ 。
R/Ω
104 25℃ 103 40℃ 102 10 0 2 0 40 60 相对湿度/% 80 100 50℃
引线端
感湿膜
梳状电极
基片
（1）电阻—湿度特性
当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的感湿特性 曲线，如图。在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值 与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线。吸湿和脱湿 时湿度指示的最大误差值为(3～4)％RH。
(b)、主要特性
R/ Ω 10M
吸湿
1M 100K
陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺， 制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸 气的敏感特性而制成。
高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通 过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜 。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。
单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体 工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器 件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。
该类气敏元件通常工作在高温状态（200—450℃）， 目的是为了加速上述的氧化还原反应。
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100~300℃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。气敏元件的基本测量电路如图10-1（a） 所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温 度的关系如图10-1（b）所示。
3、高分子湿度传感器
用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性 与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成 了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化 ，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料 和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。
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 200-300℃，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0.1μm 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。