第十章气湿敏传感器第一节气敏传感器定义：用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用最多。一、接触燃烧式气体传感器1、检测原理可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。实际应用的检测元件，在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。F1是检测元件；F2是补偿元件。要求在F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过。令ρ，C和α在一定条件下，都是确定的常数。则3、接触燃烧式气敏元件的结构1、工作原理气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。当半导体器件被加热到稳定状态，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物性自由扩散，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(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。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。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性气体。N型半导体吸附气体时器件阻值变化图SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。(a)烧结型气敏器件烧结型气敏器件：以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。(b)薄膜型器件薄膜型器件：采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方法也很简单。实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。(c)厚膜型器件厚膜型器件：将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。由于这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃左右。5、直接加热式SnO2气敏元件6、旁热式SnO2气敏元件三、氧化锆氧气传感器在固体电解质中，作为载流子传导电流的主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100℃下，为正方晶系，2500℃下，为立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。添加氧化钙、三氧化二钇等,其离子电导发生改变。在氧化钙添加量为15％mol左右时,离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的ZrO2－Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，称为YSZ材料。煤气安全报警器原理图实用酒精测试仪第二节湿敏传感器依据使用材料分类：一、湿度表示法空气中含有水蒸气的量称为湿度。1、质量百分比和体积百分比质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为2、相对湿度和绝对湿度水蒸气压：指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。饱和蒸气压：指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。相对湿度:在某一温度下，水蒸气压同饱和蒸气压的百分比。m——待测空气中水蒸气质量；V——待测空气的总体积；AH——待测空气的绝对湿度。3、露（霜）点水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，