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0755第11章 化学传感器 11.1 气敏传感器 11.2 湿敏传感器 气敏传感器的定义： 是能够感知环境中某种气体及其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。 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 气敏传感器的主要参数及特性 灵敏度：对气体的敏感程度 响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度 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：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：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 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：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 气敏传感器的分类 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： 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 （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。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性气体。 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。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。 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。 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 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 烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，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。 该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。 直热式气敏器件 直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板 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3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2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。 11.1.3 气敏传感器的应用 11.2 湿敏传感器 11.2.1 湿敏