传感器原理及应用.PPT

传感器原理及应用第九章 气敏、湿敏传感器1概述•气敏传感器：检测气体浓度和成分，主要用于环境保护和安全监督等方面•湿敏传感器：检测湿度情况，广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域29.1 气敏传感器分类：通常以气敏特性来分类，主要可分为：–半导体型气敏传感器，–电化学型气敏传感器，–固体电解质气敏传感器，–接触燃烧式气敏传感器，–光化学型气敏传感器，–高分子气敏传感器等 3一、半导体气敏传感器Ø元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物， Ø作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出 Ø应用范围：可用于检测气体中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）4应用场合： 一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警 基本要求： 1、对被测气体有高的灵敏度 2、气体选择性好 3、能够长期稳定工作 4、响应速度快5分类：分类：Ø 按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还是涉及到外部分为是涉及到外部分为表面控制型和体控制型表面控制型和体控制型；；Ø 按照半导体变化的物理特性分为按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电电阻式和非电阻式阻式。

6表表9.1 半导体气体传感器的分类半导体气体传感器的分类　　主要物理特性主要物理特性传感器举例传感器举例工作温度工作温度典型被测气典型被测气体体电电阻阻式式电电阻阻表面控制型表面控制型氧化银、氧化锌氧化银、氧化锌室温室温-450℃-450℃可燃性气体可燃性气体体控制型体控制型氧化钛、氧化氧化钛、氧化钴、氧化镁、钴、氧化镁、氧化锡氧化锡700℃700℃以以上上酒精、酒精、氧气、氧气、可燃性可燃性气体气体非非电电阻阻式式表面电位表面电位氧化银氧化银室温室温硫醇硫醇二极管整流特性二极管整流特性铂铂/ /硫化镉、硫化镉、铂铂/ /氧化钛氧化钛室温室温-200℃-200℃氢气、氢气、一氧化一氧化碳、酒碳、酒精精晶体管特性晶体管特性铂栅铂栅MOSMOS场效场效应晶体管应晶体管150℃150℃氢气、氢气、硫化氢硫化氢表面控制型表面控制型7电阻式电阻式半导体气敏传感器：半导体气敏传感器： 其其电阻随着气体含量不同而变化电阻随着气体含量不同而变化; ; 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器，主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器，是一种用金属氧化物薄膜（例如是一种用金属氧化物薄膜（例如SnOSnO2 2、、ZnOZnO、、FeFe2 2O O3 3、、TiOTiO2 2等）制成的阻抗器件。

等）制成的阻抗器件 8二、二、表面控制型电阻式表面控制型电阻式半导体气敏传感器半导体气敏传感器 当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. .1 1、结构与分类、结构与分类 由气敏元件、加热器、封装部分组成；由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型烧结型、薄膜型、厚膜型 按加热方式分为按加热方式分为内热式和旁热式内热式和旁热式9图图9.1 某气敏传感器的整体结构某气敏传感器的整体结构10（（1 1）） 烧结型烧结型Ø 将元件的电极和加热器将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材均埋在金属氧化物气敏材料中料中, , 经加热成型后低温经加热成型后低温烧结而成烧结而成烧结型烧结型输出极输出极加热电极加热电极金属氧化物金属氧化物Ø 目前最常用的是目前最常用的是氧化锡（氧化锡（SnOSnO2 2））烧结型气敏元件烧结型气敏元件, , 它的加热温度较低它的加热温度较低, , 一般在一般在200200－－300℃, SnO300℃, SnO2 2气敏气敏半导体对许多可燃性气体半导体对许多可燃性气体, , 如氢、一氧化碳、甲烷、如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。

丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度11（（2 2）薄膜型）薄膜型 在在石石英英基基片片上上蒸蒸发发或或溅溅射射一一层层半半导导体体薄薄膜膜制制成成（（厚厚度度0.1μm0.1μm以以下下））上上下下为为输输出出电电极极和和加加热电极，中间为加热器热电极，中间为加热器薄膜型薄膜型输出极输出极加热器加热器金属氧化物金属氧化物加热电极加热电极12（（3 3）厚膜型）厚膜型Ø将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜Ø灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜气敏元件较好气敏元件较好厚膜型厚膜型氧化铝基片氧化铝基片半导体氧化物半导体氧化物PtPt电极电极加热器加热器13内热式气敏器件结构内热式气敏器件结构（（4 4）内热式）内热式Ø 加热丝和测量丝都直接埋加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内；在基体材料内；Ø制造工艺简单、成本低、功制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使耗小、可以在高电压回路下使用；用；Ø热容量小，易受环境气流的热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路之影响，测量回路与加热回路之间没有隔离，相互影响。

间没有隔离，相互影响14旁热式气敏器件结构旁热式气敏器件结构（（5 5）旁热式）旁热式Ø 管芯增加了陶瓷管，管内管芯增加了陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极放加热丝，管外涂梳状金电极做测量极，在金电极外涂做测量极，在金电极外涂SnOSnO2 2等气敏材料；等气敏材料；Ø测量极与加热丝分离，加热测量极与加热丝分离，加热丝不与气敏材料接触，避免了丝不与气敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的相测量回路与加热回路之间的相互影响，热容量大，不易受环互影响，热容量大，不易受环境气流的影响境气流的影响15注：加热器的作用注：加热器的作用（（1 1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉使附着在元件上的油污、尘埃烧掉2 2））加加速速气气体体的的氧氧化化、、还还原原反反应应，，提提高高器器件件的的灵灵敏度及响应速度敏度及响应速度16 2 2、工作原理、工作原理Ø元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元件表面自由扩散件表面自由扩散( (物理吸附物理吸附) )，一部分吸附分子被蒸发掉，一，一部分吸附分子被蒸发掉，一部分吸附分子产生热分解固定在吸附处部分吸附分子产生热分解固定在吸附处( (化学吸附化学吸附) )。

Ø当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，电阻率减少，阻值降低阻值降低具有正离子吸附倾向的气体被称为具有正离子吸附倾向的气体被称为还原性气体还原性气体( (例例H H2 2、、COCO、炭氢化合物和酒类等、炭氢化合物和酒类等) )Ø当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻率增大，阻值增大阻值增大具有负离子吸附倾向的气体被称为氧具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化性气体化性气体( (例例O O2 2、、NONOx x等等) )17元件加热元件加热正常状态正常状态吸附还原性气体吸附还原性气体吸附氧化性气体吸附氧化性气体吸附气体后吸附气体后空气中空气中元件电阻元件电阻10010050500 0元件阻值变化元件阻值变化时间时间18Ø 当当吸附还原性气体吸附还原性气体时，时，N N型半导体的功函数大于吸附型半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值阻值降低降低。

Ø当当吸附氧化性气体吸附氧化性气体时，时，N N型半导体的功函数小于吸附分型半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大阻值增大. .Ø 对于对于P P型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使其电阻减小，还原性气体使其电阻增大其电阻减小，还原性气体使其电阻增大19注注：：(1) (1) 检检测测不不同同气气体体，，加加热热温温度度及及添添加加物物质质不不同同，，目的是使传感器对不同气体有目的是使传感器对不同气体有选择性选择性20图中图中EHEH为加热电源为加热电源, , ECEC为测为测量电源量电源, , 电阻中气敏电阻值电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变的变化引起电路中电流的变化化, , 输出电压（信号电压）输出电压（信号电压）由电阻由电阻R Ro o上取出 特别在特别在低低浓度下灵敏度高浓度下灵敏度高, , 而高浓度而高浓度下趋于稳定值下趋于稳定值 因此因此, , 常用常用来检查可燃性气体泄漏并报来检查可燃性气体泄漏并报警等。

警等气敏元件的基本测量电路气敏元件的基本测量电路三、气敏元件的基本测量电路三、气敏元件的基本测量电路211 1、电源电路、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高一般气敏元件的工作电压不高(3V(3V～～10V)10V)，，其工作电压，特别是供给加热的电压，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定必须稳定否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性敏元件的工作点漂移，影响检测准确性222 2、辅助电路、辅助电路 在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性( (温度系数、湿度系数、初期稳定性等温度系数、湿度系数、初期稳定性等) )如：v 采用采用温度补偿电路温度补偿电路，以减少气敏元件的温度系数引起，以减少气敏元件的温度系数引起的误差；的误差；v 设置设置延时电路延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；度变化造成误报；v 使用使用加热器失效通知电路加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报，防止加热器失效导致漏报现象。

现象23v 下图是一下图是一温度补偿电路温度补偿电路当环境温度降低时，则当环境温度降低时，则负温度负温度热敏电阻热敏电阻(R(R5 5) )的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿BZBZ~U~U气敏传感器气敏传感器氖管氖管蜂鸣器蜂鸣器NTCNTC电阻电阻W WR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R R5 5R R6 6SCRSCR24图为图为正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(R(R2 2) )的延时电路的延时电路刚刚通通电电时时，，其其电电阻阻值值也也小小，，电电流流大大部部分分经经热热敏敏电电阻阻回回到到变变压压器器，，蜂蜂鸣鸣器器(BZ)(BZ)不不发发出出报报警警当当通通电电1 1～～2min2min后后，，阻阻值值急急剧剧增增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态 BZ气敏传感器气敏传感器PTC电阻电阻R2R1R3R4BCR~UB蜂鸣器蜂鸣器氖管氖管253、应用举例、应用举例 例例1：家用可燃性气体报警器电路：家用可燃性气体报警器电路 ~220V~220VBZBZ 氖管氖管家用可燃性气体报警器电路家用可燃性气体报警器电路气敏传感器气敏传感器蜂鸣器蜂鸣器B BR R图图是是设设有有串串联联蜂蜂鸣鸣器器的的应应用用电电路路。

随随着着环环境境中中可可燃燃性性气气体体浓浓度度的的增增加加，，气气敏敏元元件件的的阻阻值值下下降降到到一一定定值值后后，，流流入入蜂蜂鸣鸣器器的的电流，足以推动其工作而发出报警信号电流，足以推动其工作而发出报警信号26例例2 2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）27Ø气体传感器选用气体传感器选用二氧化锡二氧化锡气敏元件气敏元件Ø工作原理：工作原理： 当当气气体体传传感感器器探探测测不不到到酒酒精精时时, , 加加在在A A5 5脚脚的的电电平平为为低低电电平平; ; 当当气气体体传传感感器器探探测测到到酒酒精精时时, , 其其内内阻阻变变低低, , 从从而而使使A A5 5脚脚电电平平变变高高 A A为为显显示示驱驱动动器器, , 它它共共有有1010个个输输出出端端, , 每每个个输输出出端端可可以以驱驱动动一一个个发发光光二二极极管管, , 显显示示推推动动器器A A根根据据第第5 5脚脚电电压压高高低低来来确确定定依依次次点点亮亮发发光光二二极极管管的的级级数数, , 酒酒精精含含量量越越高高则则点点亮亮二二极极管管的的级级数数越越大大。

上上5 5个个发发光光二二极极管管为为红红色色, , 表表示示超超过过安安全全水水平平下下5 5个个发发光光二二极极管管为为绿绿色色, , 代代表表安安全全水水平平, , 酒精含量不超过酒精含量不超过0.05%0.05% 28例3：矿井瓦斯超限报警器29四、四、非电阻式非电阻式半导体气体传感器半导体气体传感器 Ø包括包括MOS MOS 二极管式和结型二极管式以及场二极管式和结型二极管式以及场效应管式（效应管式（MOSFETMOSFET）半导体气体传感器半导体气体传感器Ø其电流或电压随着气体含量而变化，主要其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测检测氢和硅烷气氢和硅烷气等可燃性气体等可燃性气体 309.2 湿敏传感器一、湿度及其表示 湿度是指大气中所含的水蒸汽量1）绝对湿度 单位体积空间内所含有水蒸汽的质量(密度)31（2）相对湿度 被测空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水蒸汽分压的百分比3）露点温度空气压力不变，为使其所含水蒸气达到饱和状态，必须冷却到的温度称为露点温度气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和32二、湿敏传感器Ø利用湿敏元件的电气特性（如电阻值）随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。

Ø湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的元器件 331、氯化锂湿敏传感器 利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的H+离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变化的传感器化的传感器结构： 在条状绝缘在条状绝缘基片基片（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀法（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀法或化学沉积法做上或化学沉积法做上电极电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂－，再浸渍一定比例配制的氯化锂－聚乙烯醇聚乙烯醇混合溶液混合溶液，经老化处理而制成经老化处理而制成3435工作原理：工作原理： 在在氯化锂溶液中，氯化锂溶液中，LiLi和和ClCl均以正负离子的形式存在，而均以正负离子的形式存在，而LiLi+ +离子对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离离子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子导电能力与浓度成正比Ø当溶液置于一定温湿场中当溶液置于一定温湿场中, , 若环境若环境相对湿度高相对湿度高, , 溶液将溶液将吸收水分吸收水分，使浓度降低，使浓度降低, , 因此因此, , 其溶液电阻率增高，其溶液电阻率增高，阻值阻值升高升高。

Ø反之反之, , 环境环境相对湿度变低相对湿度变低时时, , 则溶液浓度升高则溶液浓度升高, , 其电阻其电阻率下降率下降, , 阻值下降阻值下降36玻璃带上浸渍玻璃带上浸渍LiClLiCl的湿敏元件的电阻的湿敏元件的电阻- -相对湿度特性相对湿度特性 : :Ø 由图可看出，在由图可看出，在50％～％～80％相％相对湿度范围内，电阻与湿度的变对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系化成线性关系Ø 可将氯化锂含量不同的多个器可将氯化锂含量不同的多个器件组合使用，扩大湿度测量的线件组合使用，扩大湿度测量的线性范围如浸渍性范围如浸渍1％～％～1.5%浓度浓度的器件可检测的器件可检测(20％～％～50％％)RH范范围内的湿度围内的湿度, 而浸渍而浸渍0.5%浓度的浓度的器件可检测器件可检测(40％～％～80％％)RH范围范围内的湿度内的湿度, 两者配合使用可检测两者配合使用可检测(20％～％～80％％)RH范围内的湿度范围内的湿度37氯化锂湿敏元件的优缺点：氯化锂湿敏元件的优缺点：Ø 优点：优点：滞后小滞后小, , 不受测试环境风速影响不受测试环境风速影响, , 检测精度高达检测精度高达±±５５%, %, Ø 缺点：缺点：耐热性差耐热性差, , 不能用于露点以下测量不能用于露点以下测量, , 器件性能的器件性能的重复性不理想重复性不理想, , 使用寿命短。

使用寿命短 382 2、、半导体陶瓷半导体陶瓷湿敏电阻湿敏电阻Ø 结结构构：：通通常常是是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结而成的多孔陶瓷烧结而成的多孔陶瓷Ø 分类：分类：(1)(1)、按照电阻率与湿度的关系、按照电阻率与湿度的关系u负负特特性性湿湿敏敏半半导导体体陶陶瓷瓷：：电电阻阻率率随随湿湿度度增增加加而而下下降降，，如如ZnO-LiOZnO-LiO2 2-V-V2 2O O5 5系系、、Si-NaSi-Na2 2O-VO-V2 2O O5 5系系、、TiOTiO2 2-MgO-Cr-MgO-Cr2 2O O3 3系系等u正正特特性性湿湿敏敏半半导导体体陶陶瓷瓷：：电电阻阻率率随随湿湿度度增增大大而而增增大大，，如如FeFe3 3O O4 4等39(2) (2) 根据水分子在半导瓷表面的作用根据水分子在半导瓷表面的作用 分为离子型和电子型分为离子型和电子型Ø 离子型离子型：由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水在微孔：由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水在微孔中的中的物理吸附物理吸附作用，在潮湿气氛中出现作用，在潮湿气氛中出现H H+ +离子，使元件的离子，使元件的电导率变化。

目前已有两种处于实用阶段，一种是以电导率变化目前已有两种处于实用阶段，一种是以α-α-FeFe2 2O O3 3及及K K2 2COCO3 3为主要成分为主要成分, ,另一种以另一种以ZnOZnO、、V V2 2O O5 5、、LiLi2 2O O为主为主要成分40以以α-Fe2O3及及K2CO3为主要成分的陶瓷湿敏传感器的电阻为主要成分的陶瓷湿敏传感器的电阻与湿度的关系与湿度的关系 ：：41Ø 电子型电子型：利用水分子在氧化物表面上的：利用水分子在氧化物表面上的化学吸附化学吸附导致元导致元件电导率变化元件的电导率是增加还是减小，决定于氧件电导率变化元件的电导率是增加还是减小，决定于氧化物半导体是化物半导体是N N型或型或P P型Ø 如氧化锆如氧化锆- -氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器, ,它是它是一种多孔质一种多孔质N N型半导体材料型半导体材料42氧化锆氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构：氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构： Ø 湿敏元件的四周装有电热元件湿敏元件的四周装有电热元件,能将陶瓷加热到能将陶瓷加热到300～～700 ℃℃的的工作温度工作温度,使传感器在高温下检使传感器在高温下检测水蒸气测水蒸气,并且能烧掉粘附在元并且能烧掉粘附在元件表面上的污物。

件表面上的污物Ø 该类传感器已应用于食品加工、该类传感器已应用于食品加工、空气调节器和干燥器等设备中空气调节器和干燥器等设备中43Ø负特性湿敏半导瓷的导电机理：负特性湿敏半导瓷的导电机理：Ø 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吸附附时时, , 就就有有可可能能从从半半导导瓷瓷表表面面俘俘获获电子电子, , 使半导瓷表面带负电使半导瓷表面带负电Ø 如如果果该该半半导导瓷瓷是是ＰＰ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下降降，，将将吸吸引引更更多多的的空空穴穴到到达达其其表表面面，，其表面层的电阻下降；其表面层的电阻下降；44Ø 若若该该半半导导瓷瓷为为ＮＮ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现出电导特性，使表面电阻下降。

表现出电导特性，使表面电阻下降Ø 由由此此可可见见, , 不不论论是是ＮＮ型型还还是是ＰＰ型型半半导导瓷瓷, , 其其电电阻阻率率都都随湿度的随湿度的增加而下降增加而下降451：：ZnO－－LiO2－－V2O5系系2：：Si－－Na2O－－V2O5系系3：：TiO2－－MgO－－Cr2O3系系46MgCr2O4-TiO2湿敏元件湿敏元件Ø 负特性半导瓷；负特性半导瓷；Ø MgCr2O4为为P型半导型半导体；电阻率低，电阻－体；电阻率低，电阻－温度特性好；温度特性好；Ø陶瓷片的两面涂覆有陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，金电极与多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起；引出线烧结在一起；Ø陶瓷片外设置加热线陶瓷片外设置加热线圈，对器件进行加热清圈，对器件进行加热清洗47Ø 传感器的电阻值即受传感器的电阻值即受湿度影响，又受温度影湿度影响，又受温度影响48ZnO-Cr2O3湿敏元件湿敏元件Ø 结构：结构：将多孔材料的金电将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂滤的方形塑料盒中，用树脂固定。

固定Ø 特点：特点：能连续稳定地测量能连续稳定地测量湿度，无需加热除污装置，湿度，无需加热除污装置，功耗低，体积小，成本低功耗低，体积小，成本低49Ø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: :Ø 当当水水分分子子附附着着在在半半导导瓷瓷的的表表面面使使电电动动势势变变负负时时, , 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增加到出现反型程度度增加到出现反型程度, , 此时仍以电子导电为主此时仍以电子导电为主Ø 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, , 这这类类半半导瓷材料的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Ø 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阻的的升升高高, , 必必将将引引起起总总电电阻阻值值的的明明显显升升高高由由于于晶晶体体内内部部低低阻阻支支路路仍仍然然存存在在, , 正正特特性性半半导导瓷瓷的的总总电电阻阻值值的的升升高高没没有有负负特特性性材材料料的的阻阻值值下下降降得得那那么么明明显。

显50FeFe3 3O O4 4正特性半导瓷湿敏元件：正特性半导瓷湿敏元件：Ø 结结构构：：由由基基片片、、电电极极和和感感湿湿膜膜组组成成，，在在基基片片上上制制作作一一对对梭梭状状金金电电极极，，将将FeFe3 3O O4 4胶胶体体液液涂覆在金电极的表面涂覆在金电极的表面Ø 工工作作过过程程：：当当空空气气湿湿度度大大时时，，FeFe3 3O O4 4吸吸湿湿，，元元件件阻阻值值增增大大；；当当空空气气湿湿度度小小时时，，FeFe3 3O O4 4脱湿，元件阻值减小脱湿，元件阻值减小51FeFe3 3O O4 4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线：正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线：52•陶瓷湿敏传感器的优点： 湿度滞后小, 响应速度不超过10～15 s, 便于批量生产•陶瓷湿敏传感器的缺点：其长期可靠性较差, 易受环境温度影响 533、电容湿敏传感器 电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器Ø薄片状电容式湿敏传感元件：湿敏元件是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器吸湿性电介质材料（感湿材料）主要有高分子聚合物（例如乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素）和金属氧化物（例如多孔氧化铝）等。

Ø特点：测全湿范围的湿度, 且线性好, 重复性好, 滞后小,响应快, 尺寸小, 能在-10～70 ℃的环境温度中使用54一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构 (1) 高分子聚合膜电容式湿敏元件高分子聚合膜电容式湿敏元件在玻璃衬底或聚酰亚胺在玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上蒸镀一层薄膜软衬底上蒸镀一层叉指形金电极（下电极）叉指形金电极（下电极）,在其表面上均匀涂覆在其表面上均匀涂覆（或浸渍）一层感湿膜（或浸渍）一层感湿膜（醋酸纤维膜）（醋酸纤维膜）,在感湿在感湿膜的表面上再蒸镀一层膜的表面上再蒸镀一层多孔性金薄膜（上电极）多孔性金薄膜（上电极）55电容值与相对湿度的关系电容值与相对湿度的关系 56响应特性响应特性特点：特点：Ø 由于电容器的由于电容器的上电极是多孔的上电极是多孔的透明金薄膜，水透明金薄膜，水分子能顺利地穿分子能顺利地穿透薄膜，且感湿透薄膜，且感湿膜只有一层呈微膜只有一层呈微孔结构的薄膜，孔结构的薄膜，因此吸湿和脱湿因此吸湿和脱湿容易，因此响应容易，因此响应速度快57一种氧化铝薄膜电容式湿敏元件的结构一种氧化铝薄膜电容式湿敏元件的结构 (2)、氧化铝薄膜电容式湿敏元件、氧化铝薄膜电容式湿敏元件Ø 结构特点：结构特点：其感湿其感湿膜为一层多孔氧化铝膜为一层多孔氧化铝薄膜薄膜, 衬底为硼硅玻璃衬底为硼硅玻璃或蓝宝石或蓝宝石, 上金膜电极上金膜电极和两个下金或铂电极和两个下金或铂电极形成两个串联电容器。

形成两个串联电容器Ø 原理：原理：当空气中的当空气中的相对湿度变化时相对湿度变化时, 吸吸附在氧化铝薄膜上的附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化水分子质量变化, 引引起电容值变化起电容值变化58三、湿度传感器的工作电路三、湿度传感器的工作电路振荡器振荡器电电 桥桥放大器放大器桥式整流桥式整流电表指示电表指示直流电源直流电源9V9V湿度湿度传感器传感器电桥测湿电路框图电桥测湿电路框图对电路提对电路提供交流电供交流电源源电桥的一臂为湿度传感器，由于湿电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号化，于是电桥失去平衡，产生信号输出将交流信号变将交流信号变成直流信号成直流信号591 1、电源选择、电源选择 一一切切电电阻阻式式湿湿度度传传感感器器都都必必须须使使用用交交流流电电源源，，否否则则性性能能会会劣劣化化甚甚至至失失效效一一般般使使用用振振荡荡器器对对电电路路提提供供交流电源交流电源原原因因分分析析：：电电解解质质湿湿度度传传感感器器的的电电导导是是靠靠离离子子的的移移动动实实现现的的，，在在直直流流电电源源作作用用下下，，正正、、负负离离子子必必然然向向电电源源两两极极运运动动，，产产生生电电解解作作用用，，使使感感湿湿层层变变薄薄甚甚至至被被破破坏坏；；在在交交流流电电源源作作用用下下，，正正负负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。

离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏602 2．相关电路．相关电路Ø 电电桥桥电电路路：：电电桥桥的的一一臂臂为为湿湿度度传传感感器器，，由由于于湿湿度度变变化化使使湿湿度度传传感感器器的的阻阻值值发发生生变变化化，，于于是是电电桥桥失失去去平平衡衡，，产产生生信信号输出Ø 放大器：可把不平衡信号加以放大放大器：可把不平衡信号加以放大Ø 整流器：将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示整流器：将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示Ø 振荡器和放大器都由振荡器和放大器都由9V9V直流电源供给直流电源供给Ø 注：电桥法适合于氯化锂湿度传感器注：电桥法适合于氯化锂湿度传感器61表表9.3 湿敏传感器的应用范围和使用温度、湿度范围湿敏传感器的应用范围和使用温度、湿度范围四、湿度传感器的典型应用四、湿度传感器的典型应用621、一个烹调设备中湿度控制的应用实例图图9.21 自动烹调设备中湿度检测控制系统原理框图自动烹调设备中湿度检测控制系统原理框图63图图9.22 采用湿敏传感器的高频电子食品加热器采用湿敏传感器的高频电子食品加热器642 2、直读式湿度计、直读式湿度计65Ø RH RH为氯化锂湿度传感器。

为氯化锂湿度传感器Ø 由由V VT1T1、、V VT2T2、、T T1 1等等组组成成测测湿湿电电桥桥的的电电源源, , 其其振振荡荡频频率率为为250250－－1000 Hz1000 Hz Ø 电电桥桥输输出出经经变变压压器器T T2 2、、C C3 3耦耦合合到到V VT3T3, , 经经V VT3T3放放大大后后的的信信号号由由V VD1D1－－V VD4D4桥桥式式整整流流后后, , 输输入入给给微微安安表表, , 指指示示出出由由于于相相对对湿湿度的变化引起的电流改变度的变化引起的电流改变Ø 经经标标定定并并把把湿湿度度刻刻划划在在微微安安表表盘盘上上, , 就就成成为为一一个个简简单单而而实用的直读式湿度计实用的直读式湿度计 663、自动喷灌控制器67Ø湿度传感器为负特性湿度传感器Ø电源电路：变压器T，整流桥UR，隔离二级管VD2，稳压管VS及滤波电容C1、C2Ø湿度检测电路：湿度传感器，R1, R2 Ø控制电路： R3,R4,R5,VT1,VT2, VT3,VD1，继电器KØ工作电机：微型水泵的直流电动机M，大、中型水泵的交流电动机M1Ø工作过程：当土壤湿度高时，湿度传感器阻值小，VT1,VT2导通，VT3截止，继电器不吸合，电机不工作；当土壤湿度低时，湿度传感器阻值大，VT1,VT2截止，VT3导通，继电器吸合，电机工作。

684、汽车玻璃自动去湿电路69•RH为嵌入玻璃中的感湿器件，RL为嵌入玻璃中的加热电阻丝•湿度检测电路：RH,R1,R2•控制电路：T1,T2组成的施密特触发电路，R3,R4, R5,C,继电器J•工作过程：常温常湿下，调整各电阻值使得VT1导通，VT2截止；当下雨天湿度增大时，RH阻值下降，使得VT1截止，VT2导通，继电器J得电吸合，接通电阻丝RL，加热；当湿度减小到一定程度，施密特触发电路翻转到初始状态，电阻丝RL断电实现了自动防湿控制。