化學物質傳感器2023/3/141第一頁，共八十四頁，2022年，8月28日學習目的

掌握氣敏傳感器、濕度傳感器的工作原理。掌握電阻型氣敏傳感器、非電阻型氣敏傳感器的工作原理。熟悉氣敏傳感器的應用。掌握電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器的工作原理。熟悉濕度傳感器的應用。2023/3/142第二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

9.1氣敏傳感器

9.2濕度傳感器

本章小結

復習思考題主要內容返回主目錄2023/3/143第三頁，共八十四頁，2022年，8月28日人類的日常生活和生產活動與周圍環境氣氛緊密相關。氣氛的變化對人類有極大的影響。例如，氣氛中缺氧或有毒氣體會使人感到窒息甚至昏迷致死。可燃性氣體的泄漏會引起爆炸和火災，使人們的生命和財產遭受巨大的損失。在生產中使用的氣體原料和生產過程中產生的氣體種類和數量也在不斷增加，特別是石油、化工、煤礦及汽車等工業的飛速發展以及火災事故的不斷發生，大氣日益污染。因而我們需要使用大量的氣敏傳感器來檢測氣體的成分。氣敏傳感器就是能感知環境中某種氣體及其濃度的一種器件，它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。9.1氣敏傳感器2023/3/144第四頁，共八十四頁，2022年，8月28日燃氣報警器煙霧報警器2023/3/145第五頁，共八十四頁，2022年，8月28日酒精傳感器2023/3/146第六頁，共八十四頁，2022年，8月28日氣敏傳感器的種類很多，分類標準不一，根據傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機理和效應不同主要分為：9.1.1氣敏傳感器的分類半導體式固體電解質式電化學式接觸燃燒式其他類型光學式氣敏傳感器石英振子式氣敏傳感器表面聲波氣敏傳感器電阻型非電阻型2023/3/147第七頁，共八十四頁，2022年，8月28日固體電解質氣敏傳感器是利用被測氣體在敏感電極上發生化學反應，所生成的離子通過固體電解質傳遞到電極，使電極間產生的電位隨氣體分壓而變化的原理來對氣體進行檢測。電化學式氣敏傳感器是利用電極和電解質組成的電池中，氣體與電極進行氧化還原反應，從而使兩極間輸出的電流或電壓隨氣體濃度而變化的原理制作的。2023/3/148第八頁，共八十四頁，2022年，8月28日燃燒式氣敏傳感器則是基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產生熱量，而使貴金屬電極電導隨氣體濃度發生變化來對氣體進行檢測的。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件。電阻型半導體氣敏傳感器是目前廣泛應用的氣敏傳感器之一。2023/3/149第九頁，共八十四頁，2022年，8月28日9.1.2電阻型半導體氣敏傳感器電阻型半導體氣敏傳感器是利用氣體在金屬氧化物半導體表面的氧化和還原反應，導致敏感元件阻值變化的原理來制作的。

如氧氣等氧化型氣體—電子接收性氣體（具有負離子吸附傾向的氣體）吸附到N型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升；吸附到P型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；如氫、碳氧化合物、醇等還原型氣體—電子供給性氣體（具有正離子吸附傾向的氣體）吸附到N型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；吸附到P型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升。圖9-1N型半導體與氣體接觸時的氧化還原反應2023/3/1410第十頁，共八十四頁，2022年，8月28日氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時加敏感材料和催化劑燒結，金屬氧化物有：N型半導體和P型半導體。P型半導體如：這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后則顯示出氣敏特性。N型半導體如：2023/3/1411第十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導體（N型半導體）材料的電子吸附負電荷，結果半導體材料的傳導電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態；當氣敏元件與被測氣體接觸時，會與吸附的氧發生反應，將束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導增加使元件電阻減小。導電機理用一句話描述：半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電阻值變化，根據這一特性，從阻值的變化測出氣體的種類和濃度。2023/3/1412第十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

是電阻型金屬氧化物半導體傳感器的氣敏材料的典型代表，這類半導體傳感器的使用溫度較高，大約200～500℃。為了進一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向母料中添加一些貴金屬（如等），激活劑及粘接劑等。目前常見的—更具有潛力

系列氣敏元件有燒結型薄膜型厚膜型—應用最多2023/3/1413第十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日1．燒結型氣敏元件燒結型氣敏元件是目前工藝最成熟的氣敏元件，其敏感體是用粒徑很小的粉體為基本材料，與不同的添加劑混合均勻，采用典型的陶瓷工藝制備，工藝簡單，成本低廉。主要用于檢測可燃的還原性氣體，敏感元件的工作溫度約300℃。按照其加熱方式，分為直熱式旁熱式2023/3/1414第十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日直熱式氣敏元件，又稱為內熱式器件。由芯片(包括敏感體和加熱器)、基座和金屬防爆網罩三部分組成。芯片結構的特點是在以為主要成分的燒結體中埋設兩根作為電極并兼作加熱器的螺旋形鉑～銥合金線，其結構如9-2圖所示。優點是結構簡單，成本低廉，但其熱容量小，易受環境氣流的影響，穩定性差。圖9-2直熱式氣敏器件結構2023/3/1415第十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日其可靠性和使用壽命都較直熱式氣敏元件為高。目前市售的系氣敏元件大多為這種結構形式。旁熱式氣敏元件嚴格地講是一種厚膜型元件，其結構如9-3圖所示。在一根薄壁陶瓷管的兩端設置一對金電極及鉑一銥合金絲引出線，然后在瓷管的外壁涂覆以為基礎材料配制的漿料層，經燒結后形成厚膜氣體敏感層。在陶瓷管內放入一根螺旋形高電阻金屬絲作為加熱器(加熱器電阻值一般為30～40Ω)。這種管芯的測量電極與加熱器分離，避免了相互干擾，而且元件的熱容量較大，減少了環境溫度變化對敏感元件特性的影響。旁熱式氣敏元件圖9-3旁熱式氣敏元件結構2023/3/1416第十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日2．厚膜型氣敏元件基片加熱器氣體敏感層厚膜型組成厚膜型SnO2氣敏元件是用絲網印刷技術將漿料制備而成的，其機械強度和一致性都比較好，且與厚膜混合集成電路工藝能較好相容，可將氣敏元件與阻容元件制作在同一基片上，利用微組裝技術與半導體集成電路芯片組裝在一起，構成具有一定功能的器件。圖9-4厚膜型氣敏元件結構示意圖2023/3/1417第十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日3．薄膜型

SnO2

氣敏元件由于燒結型SnO2氣敏元件的工作溫度約300℃，此溫度下貴金屬與環境中的有害氣體(如SO2

之類)作用會發生“中毒”現象，使其活性大幅度下降，因而造成氣敏元件的氣敏性能下降，長期穩定性、氣體識別能力等降低。薄膜型SnO2

氣敏元件的工作溫度較低(約為250℃)，并且這種元件具有很大的表面積，自身的活性較高，本身氣敏性很好；且催化劑“中毒”不十分明顯。薄膜型器件一般是在絕緣基板上，蒸發或濺射一層SnO2薄膜再引出電極。具體結構如9-5圖所示。并且可利用器件對不同氣體的敏感特性實現對不同氣體的選擇性檢測。圖9-5薄膜型氣敏傳感器結構2023/3/1418第十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日非電阻型氣敏傳感器主要包括利用MOS二極管的電容—電壓特性變化的MOS二極管型氣敏傳感器和利用MOS場效應管的閾值電壓變化的MOS場效應管型氣敏傳感器。9.1.3非電阻型半導體氣敏傳感器2023/3/1419第十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日Pd-MOS二極管氣敏元件是在P型硅上集成一層二氧化硅層，在氧化層蒸發一層鈀（Pd）金屬膜作柵電極。氧化層（）的電容Ca是固定不變的。而硅片與層電容Cs是外加電壓的函數，所以總電容C是柵極偏壓的函數，其函數關系稱為該MOS管的電容一電壓(C—U)特性。MOS二極管的等效電容C隨電壓U變化。圖9-6Pd—MOS二極管敏感元件結構和等效電路2023/3/1420第二十頁，共八十四頁，2022年，8月28日由于金屬鈀（Pd）對氫氣特別敏感。當Pd吸附氫氣以后，使Pd的功函數下降，且所吸附氣體的濃度不同功函數變化量不同，這將引起MOS管的C—U特性向左平移（向負方向偏移），如圖9-7所示。由此可測定氫氣的濃度。圖9-7MOS管的C—U特性2023/3/1421第二十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日9.1.4氣敏傳感器的應用各類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警都可以用相應的氣體傳感器及其相關電路來實現，如氣體成分檢測儀、氣體報警器、空氣凈化器等等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂場所等。下面給出幾個典型實例。2023/3/1422第二十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日對于丙烷、丁烷、甲烷等氣體，報警濃度一般選定在其爆炸下限的1／10，通過調整電阻來調節。1.簡易家用氣體報警圖9-8是一種最簡單的家用氣體報警器電路，采用直熱式氣敏傳感器TGSlO9，當室內可燃性氣體濃度增加時，氣敏器件接觸到可燃性氣體而電阻值降低，這樣流經測試回路的電流增加，可直接驅動蜂鳴器BZ報警。圖9-8最簡單的家用氣體報警器電路直熱式氣敏傳感器2023/3/1423第二十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日2.有害氣體鑒別、報警與控制電路旁熱式煙霧、有害氣體傳感器。無有害氣體時阻值較高(10左右)，有有害氣體或煙霧進入時阻值急劇下降，A、B兩端電壓下降.V當5腳電壓達到預定值時(調節可調電阻RP可改變5腳的電壓預定值)，1、2兩腳導通.吸合，合上排風扇電源開關自動排風聲光報警電路一方面可鑒別實驗中有無有害氣體產生，鑒別液體是否有揮發性，另一方面可自動控制排風扇排氣，使室內空氣清新。2023/3/1424第二十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日0.53V時，則VL1和VL2點亮當7腳電位等于0.18V時,VL1被點亮0.84V時,VL1－VL3均點亮1.19V時，VL1－VL4均點亮2V時，則使VL1－VL5

全部點亮采用低功耗、高靈敏的QM-N10型氣敏檢測管，它和電位器RP

組成氣敏檢測電路，氣敏檢測信號從RP的中心端旋臂取出。U257B是LED條形驅動器集成電路，其輸出量(LED點亮只數)與輸入電壓成線性關系。LED被點亮的只數取決于輸入端7腳電位的高低。通常IC的7腳電壓低于0.18V時，其輸出端2～6腳均為低電平，VL1-VL5均不亮。U257B的額定工作電壓范圍8～25V；輸入電壓最大5V；輸入電流0.5mA；功耗690mW.它可用于家庭對煤氣、一氧化碳、液化石油氣等泄漏實現監測報警3.可燃性氣體濃度檢測電路圖9-10可燃性氣體濃度檢測電路原理圖2023/3/1425第二十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日

當QM-N10不接觸可燃性氣體時，其A—B兩電極間呈高阻抗，使得7腳電壓趨于0V，相應VL1～VL5均不亮。當QM-N10處在一定的可燃性氣體濃度中時，其A—B兩電極間電阻變得很小，這時7腳存在一定的電壓0.18V，使得相應的發光二極管點亮。如果可燃性氣體的濃度越高，則VL1～VL5依次被點亮的只數越多。圖9-10可燃性氣體濃度檢測電路原理圖2023/3/1426第二十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日限流電阻

QM-N5型氣敏元件報警設定電位器

VT2和VT3互補式自激多諧振蕩器圖9-11礦燈瓦斯報警器電路4.礦燈瓦斯報警器2023/3/1427第二十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.礦燈瓦斯報警器因為氣敏元件在預熱期間會輸出信號造成誤報警，所以氣敏元件在使用前必須預熱十幾分鐘以避免誤報警。一般將礦燈瓦斯報警器直接安放在礦工的工作帽內，以礦燈蓄電池為電源。當瓦斯超限時，礦燈自動閃光并發出報警聲。當瓦斯超過某設定點時，輸出信號通過二極管VD加到VT1基極上，VT1導通，VT2、VT3便開始工作。而當瓦斯濃度低時，RP

輸出的信號電位低，VT1截止，VT2、VT3也截止.

圖9-11礦燈瓦斯報警器電路2023/3/1428第二十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-11礦燈瓦斯報警器電路在VT1導通后電源通過R3對C1充電，當充電至一定電壓時VT3導通，C2很快通過VT3充電，使VT2導通，繼電器K吸合。VT2導通后C1立即開始放電，C1正極經VT3的基極、發射極、VT1的集電結、電源負極，再經電源正極至VT2集電結至C1負極，所以放電時間常數較大。當C1兩端電壓接近零時，VT3截止。此時VT2還不能馬上截止，原因是電容器C2上還有電荷，這時C2經R2和VT2的發射結放電，待C2兩端電壓接近零時VT2就截止了，自然K也就釋放。當VT3截止，C1又進入充電階段，以后過程又同前述，使電路形成自激振蕩，K不斷地吸合和釋放。由于K與礦燈都是安裝在工作帽上，K吸合時，銜鐵撞擊鐵芯發出的“嗒嗒”聲通過礦帽傳遞給礦工聽見。同時，礦燈因K的吸合與釋放也不斷閃光，引起礦工的警覺，他可及時采取通風措施。2023/3/1429第二十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日5．煙霧報警器電路由電源、檢測、定時報警輸出三部分組成。電源部分將220V市電經變壓器降至15V，由－組成的橋式整流電路整流并經濾波成直流。

圖9-12煙霧報警器電路原理圖HQ-2氣敏管A—B之間的電阻，在無煙環境中為幾十千歐，有煙霧環境中可下降到幾千歐。

2023/3/1430第三十頁，共八十四頁，2022年，8月28日一旦有煙霧存在，A—B間電阻便迅速減小，比較器通過電位器RP1所取得的分壓隨之增加，IC1翻轉輸出高電平使T2導通。IC2在IC1翻轉之前輸出高電平，因此T1也處于導通狀態。只要IC1一翻轉，輸出端便可輸出報警信號。輸出端可接蜂鳴器或發光器件。IC1翻轉后，由R3、C1組成的定時器開始工作(改變R3阻值可改變報警信號的長短)。當電容C1被充電達到閾值電位時，IC2翻轉，則VT1關斷，停止輸出報警信號。煙霧消失后，比較器復位，C1通過IC1放電。該氣敏管長期擱置首次使用時，在沒有遇到可燃性氣體時電阻也將減小，需經10分鐘左右的初始穩定時間后方可正常工作。圖9-12煙霧報警器電路原理圖2023/3/1431第三十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日6．酒精檢測報警器圖9-13酒精檢測報警控制器電路原理圖由于氣敏元件不僅對酒精敏感，而且對于汽油、香煙也敏感，經常造成檢測駕駛員是否飲酒的報警器發生誤動作而不能普遍推廣使用。必須選用只對酒精敏感的QM-NJ9型酒精傳感器，要求當檢測器接觸到酒精氣味后立即發出連續不斷的“酒后別開車’’的響亮語音報警，并切斷車輛的點火電路，強制車輛熄火。QM-NJ9型酒精傳感器

語言聲光報警器2023/3/1432第三十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-13酒精檢測報警控制器電路原理圖三端穩壓器7805將傳感器的加熱電壓穩定在5V±0.2V，保證該傳感器工作穩定性和具有高的靈敏度。

當酒精氣敏元件接觸到酒精味后B點電壓升高，且升高值隨檢測到的酒精濃度增大而升高，當該電壓達到1.6V時導通語言聲光報警器2023/3/1433第三十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日呼氣管酒精測試儀2023/3/1434第三十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日家庭用液化氣報警器家庭用煤氣報警器2023/3/1435第三十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日一氧化碳傳感器2023/3/1436第三十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日汽車尾氣分析2023/3/1437第三十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日2023/3/1438第三十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日2023/3/1439第三十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日2023/3/1440第四十頁，共八十四頁，2022年，8月28日9.2濕度傳感器濕度的檢測與控制在工業、農業、氣象、醫療以及日常生活中的地位越來越重要。例如:許多儲物倉庫在濕度超過某一程度時，物品易發生變質或霉變現象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在60－70％RH；在農業生產中的溫室育苗、食用菌培養、水果保鮮等都需要對濕度進行檢測和控制。2023/3/1441第四十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日2023/3/1442第四十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對濕度、相對濕度、露點等表示。待測空氣中水蒸氣質量待測空氣的總體積，單位為g/m39.2.1濕度的表示方法1.絕對濕度所謂絕對濕度就是在一定溫度和壓力條件下，單位體積空氣內所含水蒸氣的質量，也就是指空氣中水蒸氣的密度。一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數表示，即為絕對濕度（g/m3）2023/3/1443第四十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日相對濕度是表示空氣中實際所含水蒸氣的分壓（P）和同溫度下飽和水蒸氣的分壓（Pmax）的百分比，即

通常，用％RH表示相對濕度。當溫度和壓力變化時，因飽和水蒸氣變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對濕度也發生變化。顯然，絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，相對濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更廣泛。日常生活中所說的空氣濕度，實際上就是指相對濕度而言。2.相對濕度溫度2023/3/1444第四十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當降到某溫度時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態，開始從氣態變成液態而凝結成露珠，這種現象稱為結露，此時的溫度稱為露點或露點溫度。如果這一特定溫度低于0℃，水氣將凝結成霜，此時稱其為霜點。通常對兩者不予區分，統稱為露點，其單位為℃。

3.露點2023/3/1445第四十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日9.2.2濕度傳感器的分類近年來，國內外在濕度傳感器研發領域取得了長足進步。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代濕度、溫度測控系統創造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。產品的基本形式都是在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數發生很大的變化，從而制成濕敏元件。濕敏元件根據工作方式的不同電阻式電容式濕敏元件是指對環境濕度具有響應或轉換成相應可測信號的元件濕度傳感器是由濕敏元件及轉換電路組成的，具有把環境濕度轉換為電信號的能力。2023/3/1446第四十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。1.濕敏電阻濕敏電阻的優點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差.濕敏電阻的種類金屬氧化物濕敏電阻硅濕敏電阻碳濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻陶瓷濕敏電阻高分子濕敏電阻2023/3/1447第四十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日2.濕敏電容當環境濕度發生改變時，濕敏電容極間介質的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優點是：靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。按照極間介質的不同，濕敏電容分為有機高分子陶瓷材料國外生產濕敏電容的主要廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。2023/3/1448第四十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日氯化鋰濕敏電阻是利用物質吸收水分子而使導電率變化來檢測濕度。在氯化鋰溶液中，Li和Cl以正負離子的形式存在，鋰離子（Li+）對水分子的吸收力強，離子水合成度高，溶液中的離子導電能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導電率上升。當溶液置于一定濕度場中，若環境RH上升，溶液吸收水分子使濃度下降，電阻率ρ上升，反之RH下降，電阻率ρ下降。通過測量溶液電阻值R實現對濕度的測量。9.2.3電阻式濕度傳感器1．氯化鋰濕敏電阻2023/3/1449第四十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日在梳狀或柱狀電極間的電阻值的變化反映了空氣相對濕度的變化。氯化鋰電阻濕度傳感器分梳狀和柱狀，如圖9-14所示

圖9-14氯化鋰電阻濕度傳感器2023/3/1450第五十頁，共八十四頁，2022年，8月28日

氯化鋰濃度不同的單片濕度傳感器，其感濕的范圍也不同。濃度低的單片濕度傳感器對高濕度敏感，而濃度高的單片濕度傳感器對低濕度敏感。一般的單片濕度傳感器的濕敏范圍僅在30％RH左右，如10％～30％、20％～40％、40％～70％、70％～90％、80％～99％等。每一傳感器的測量范圍較窄，故應按照測量范圍的要求，選用相應的量程。為擴大測量范圍，可采用多片組合傳感器。新型氯化鋰濕度傳感器具有長期工作穩定性好、精度高、響應迅速等優點，但在有結露時易失效。它適合空調系統使用2023/3/1451第五十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日2．陶瓷濕敏傳感器半導體陶瓷濕敏電阻通常用兩種以上的金屬氧化物半導體在高溫1300℃下燒結成多孔陶瓷。半導體陶瓷濕敏電阻分為兩種一種材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱為負特性半導體陶瓷濕敏電阻（例：ZnO-LiO2-V2O5）一種材料(如Fe3O4半導瓷)的電阻率隨著濕度的增加而增大，稱為正特性半導體陶瓷濕敏電阻。2023/3/1452第五十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日由于水分子中的氫原子具有很強的正電場，當水在半導體陶瓷表面附著時，就可能從半導體陶瓷表面俘獲電子，使半導體陶瓷表面帶負電，相當于表面電勢變負。P型半導體陶瓷N型半導體陶瓷水表面電勢下降電阻下降已知一系列的金屬氧化物，特別是過渡金屬氧化物及其鹽類都具有這樣特性，如對于N半體陶導瓷，由于水分子附著同樣會使表面電勢下降，如果表面電勢下降比較多，不僅使表面的電子耗盡，同時將大量的空穴吸引到表面層，以至有可能達到表面層的空穴濃度高于電子濃度的程度，出現所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子

，它們同樣可以在表面遷移而對電導做出貢獻。這就說明水分子的附著同樣可以使N型半導瓷材料的表面電阻下降。由于水分子的吸附使表面電勢下降，這類材料就是負特性濕敏半導體陶瓷。它的阻值隨著濕度的增加可以下降三至四個數量級。2023/3/1453第五十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日對于阻值隨濕度增加而增大的這類正特性濕敏半導體陶瓷，這類材料的結構、電子能量狀態與負特性有所不同。當水分子的附著使表面電勢變負時，造成表面層電子濃度的下降，但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現反型的程度，此時仍以電子導電為主。于是表面電阻將由于電子濃度的下降而增大，這類半導瓷材料的表面層電阻將隨環境濕度的增加而加大。如果對于某一種半體陶導瓷，它的晶粒間界電阻與體內電阻相比并不很大，那么表面層電阻的加大對總電阻將不起多大作用。不過，通常濕敏半導體陶瓷材料都是多孔型的，表面電阻占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總阻值的明顯升高。但由于晶體內部低阻支路依然存在，所以總阻值的升高不像負特性材料中的阻值下降那么明顯。正特性濕敏半導體陶瓷

2023/3/1454第五十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日由金屬氧化物粉末或某些金屬氧化物燒結體研成的粉末，通過一定方式的調合、噴灑或涂覆在具有叉指電極的陶瓷基片上而制成的。涂覆膜型的濕敏元件水電阻下降涂覆膜型的濕敏元件由其結構所造成的。由于粉粒之間通常是很松散的“準自由”表面，這些表面都非常有利于水分子附著，特別是粉粒與粉粒之間不太緊密的接觸更有利于水分子的附著。極性的、離解力極強的水分子在粉粒接觸處的附著將使其接觸程度強化，并且接觸電阻顯著降低。2023/3/1455第五十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日因此環境濕度越高，水分子附著越多，接觸電阻就越低。由于接觸電阻在濕敏元件中是起主導作用的，所以隨著環境濕度的增加，元件的電阻下降。而且，不論是用負特性型還是正特性型的濕敏瓷粉作為原料，只要其結構是屬于粉粒堆集型的，其阻值都將隨著環境濕度的增高而顯著下降。例如，燒結型Fe3O4濕敏電阻具有正特性，而瓷粉膜型Fe3O4濕敏電阻具有負特性。2023/3/1456第五十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中，由鉻酸鎂－二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導體陶瓷是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進行反復的熱清洗，性能仍保持不變。圖9-15陶瓷濕敏元件結構多孔陶瓷濕敏傳感器的結構，氣孔大部分為粒間氣孔，氣孔直徑隨添加量的增加而增大，平均氣孔直徑在100～300nm內。粒間氣孔與顆粒大小無關，可看作相當于一種開口毛細管，容易吸附水分。這種傳感器材料的主晶相是相，此外，還有相等，濕敏體是一個多晶多相的混合物。經汞壓法測定，各種配方的濕敏氣孔率各不相同，氣孔率在20％～35％之間，平均粒徑在左右。濕敏體的兩個側面制成多孔的氧化釕電極，電極的引線一般為(鉑-銥）絲。陶瓷基片在周圍裝置有一只坎瑟爾電阻絲繞制的加熱器。陶瓷濕敏體和加熱器固定在陶瓷基座上，陶瓷基座上采用帶有護圈的絕緣子，這樣能消除傳感器接頭之間因電解質粘附而引起的泄漏電流的影響。2023/3/1457第五十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日陶瓷濕敏傳感器具有較好的熱穩定性，較強的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環境中測得準確的濕度數據等優點；另外測濕范圍寬，基本上可以實現全濕范圍內的濕度測量；工作溫度高，常溫濕敏傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕敏傳感器的工作溫度可達800℃；響應時間短，精度高，工藝簡單，成本低等。所以在實用中占有很重要的位置。2023/3/1458第五十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日高分子電阻式濕度傳感器使用高分子固體電解質材料制作感濕膜，由于膜中的可動離子而產生導電性，隨著濕度的增加，其電離作用增強，使可動離子的濃度增大，電極間的電阻值減小。反之，電阻值增大。因此，濕度傳感器對水分子的吸附和釋放情況，可通過電極間電阻值的變化檢測出來，從而得到相應的濕度值。3．高分子電阻式濕度傳感器由于它們的檢測范圍不同，因而在實用上各自有著不同的用途。下面以高分子結構效應型濕度傳感器為例講述其工作原理。高分子電阻式濕度傳感器可以分為兩類一類是高分子結構效應型濕度傳感器另一類是高分子尺寸效應型濕度傳感器2023/3/1459第五十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日高分子結構效應型濕度傳感器水電阻下降通常是將含有強極性基的高分子電解質及其鹽類、、-NH2等高分子材料制成感濕電阻式膜。水吸附在強極性基高分子上，隨著濕度的增大吸附量增加，吸附水之間凝聚化呈液態水狀態。測定這種濕度傳感器電阻值時，在低濕吸附量少的情況下，由于沒有電荷離子產生，電阻值很高。當相對濕度增加時，凝聚化的吸附水就成為導電通道，高分子電解質的成對離子主要起載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質子及水和氫離子也起電荷載流子作用，這就使傳感器的電阻急劇下降。利用高分子電解質在不同濕度條件下電離產生的導電離子數量不等使阻值變化，就可測定環境中的濕度。高分子結構效應型濕度傳感器

2023/3/1460第六十頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-16為元件結構圖，感濕膜是由PVA(聚乙烯醇)和PSS(聚苯乙烯磺酸銨)組成。基極用厚O.6mm的氧化鉛，電極用Au做成叉指型。組件外面用發泡體聚丙烯包封構成過濾器，以防止灰塵、水和油等直接與感濕膜接觸。利用導電性高分子對水蒸氣的物理吸附作用引起電導率變化的高分子濕度傳感器，其優點是測量濕度范圍大，工作溫度在0～50℃，響應時間短(<30s)，可作為濕度檢測和控制用。圖9-16元件結構圖2023/3/1461第六十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日9.2.4電容式濕度傳感器濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，高分子電容式濕度傳感器基本上是一個電容器，如圖9-17所示，在高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著水分子被吸附或釋放，高分子薄膜的介電系數將發生相應的變化。圖9-17高分子電容式濕敏元件基本結構因為介電系數隨空氣的相對濕度變化而變化，所以只要測定電容值就可測得相對濕度。2023/3/1462第六十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍、硝酸纖維素、聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄,一般約5000埃,使元件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差,響應速度快。高分子電容式濕度傳感器具有響應速度快、線性好、重復性好、測量范圍寬、尺寸小等優點。缺點是不宜用于含有機溶媒氣體的環境，元件也不能耐80℃以上的高溫。其廣泛用于氣象、倉庫、食品、紡織等領域的濕度檢測。2023/3/1463第六十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日

對于不同環境的濕度測量應選用不同的濕度傳感器。例如，當環境溫度在一40～70℃時，可采用高分子濕度傳感器和陶瓷濕度傳感器；在70～100℃范圍和超過100℃時使用陶瓷濕度傳感器。在干凈的環境通常使用高分子濕度傳感器，在污染嚴重的環境則使用陶瓷濕度傳感器。為了使傳感器準確穩定地工作，還需附加自動加熱清洗裝置。下面介紹幾種典型的應用實例。9.2.5濕度傳感器的應用2023/3/1464第六十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-18直讀式濕度計電路氯化鋰濕度傳感器

測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz

微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經標定并把濕度刻劃在微安表盤上.

1.直讀式濕度計2023/3/1465第六十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-19濕度檢測器電路濕度傳感器

多諧振蕩器,輸出方波信號

讀出與相對濕度相應的指數來將多諧振蕩器輸出的方波信號變為三角波。當相對濕度變化時，濕度傳感器的電容量將隨著改變，它將使多諧振蕩器輸出的頻率及三角波的幅度都發生相應的變化。

2.濕度檢測器整流和濾波儀器調零2023/3/1466第六十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-20高濕顯示器電路圖SMOI—A型濕敏電阻，當環境的相對濕度在20％～90％RH變化時，它的電阻值在幾十千歐到幾百歐范圍內改變9V當環境濕度增大時

RV導通截至導通發光高濕度顯示電路可應用于蔬菜大棚、糧棉倉庫、花卉溫室、醫院等對濕度要求比較嚴格的場合。3.高濕度顯示器為防止濕敏電阻產生極化現象，采用變壓器降壓供給檢測電路9V交流電壓。2023/3/1467第六十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-21濕度控制器原理電路圖將濕敏電容置于RC振蕩電路中，直接將濕敏元件的電容信號轉換成電壓信號。由雙穩態觸發器及RC組成雙振蕩器，其中一支路由固定電阻和濕敏電容組成，另一支路由多圈電位器和固定電容組成。設定在O％RH時，濕敏支路產生一脈沖寬度的方波，調整多圈電位器使其方波與濕敏支路脈寬相同，則兩信號差為0，濕度變化引起脈寬變化，兩信號差通過RC濾波后經標準化處理得到電壓輸出，輸出電壓隨相對濕度幾乎成線性增加，這是KSC－6V集成相對濕度傳感器的原理，其相對濕度0％～100％RH對應的輸出為0～100mV。當濕度V導通吸合發綠光,空氣干燥接通超聲波加濕器

4.房間濕度控制器高電平2023/3/1468第六十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-21濕度控制器原理電路圖當濕度V釋放發紅光,空氣潮濕接通排氣扇排除潮氣4.房間濕度控制器導通吸合高電平2023/3/1469第六十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-22汽車后窗玻璃自動去濕電路嵌入玻璃的加熱電阻濕度傳感器

施密特觸發電路偏置電路

在常溫常濕條件下較大導通截止斷開無電流流過5.汽車后窗玻璃自動去濕裝置2023/3/1470第七十頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-22汽車后窗玻璃自動去濕電路嵌入玻璃的加熱電阻濕度傳感器施密特觸發電路偏置電路

當室內外溫差較大，且濕度過大時

減小導通截止閉合有電流流過，加熱電阻開始加熱，后窗玻璃上的潮氣被驅散。5.汽車后窗玻璃自動去濕裝置2023/3/1471第七十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日6.浴室鏡面水汽清除器圖9-23鏡面水汽清除器的整體結構圖由電熱絲、結露傳感器、控制電路等組成，其中電熱絲和結露傳感器安裝在玻璃鏡子的背面，用導線將它們和控制電路聯接。2023/3/1472第七十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-24浴室鏡面水汽清除器電路圖結露傳感器，感知水汽后的阻值變化如果玻璃鏡面周圍的濕度變低時，結露傳感器阻值變小到2時。截止截止無電流流過調節其阻值，可使加熱絲在確定的某一相對濕度條件下開始加熱。導通2023/3/1473第七十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日圖9-24浴室鏡面水汽清除器電路圖結露傳感器，感知水汽后的阻值變化如果玻璃鏡面周圍的濕度增加，使結露傳感器阻值增大到50時。截止導通有電流流過調節其阻值，可使加熱絲在確定的某一相對濕度條件下開始加熱。導通玻璃鏡面加熱，隨著鏡面溫度逐步升高，從而使鏡面水汽被蒸發恢復清晰。

2023/3/1474第七十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日土壤的電阻值與其濕度有關，潮濕的土壤電阻僅有幾百歐姆，干燥時土壤電阻可增大到數十千歐姆以上，因此，可以利用土壤電阻值的變化來判斷土壤是否缺水。

圖9-25土壤缺水告知器電路原理圖

振蕩器緩沖電路基準電壓其兩端電壓較低當土壤潮濕時，其阻值變小整流低電位

7.土壤缺水告知器金屬極板作為土壤濕度傳感器

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