气体和湿度检测方案优化

项目简介

气体检测在民用、工业和环境检测等方面发挥着巨大作用，常见的气敏传感器如图6-1所示。气敏传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的存在或浓度，以确保煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全。在大气环境监测领域，采用气敏传感器判定环境污染状况。在食品行业，气敏传感器可以检测肉类等易腐败食物的新鲜度。气敏传感器也可以用于公路交通检测驾驶员呼气中乙醇气浓度，酒精传感器如图6-2所示。

生活中湿度的不良变化会带来食物质量变化，引发食品安全问题；化工电子潮湿是电子产品质量的致命敌人，绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放；大棚栽培若不控制湿度势必影响产量等。因此，除了气体检测以外，湿度检测也有着十分重要的意义。常见的湿敏传感器如图6-3所示。

图6-1　常见气敏传感器

图6-2　酒精传感器

图6-3　常见湿敏传感器

相关知识

一、气敏传感器

1.气敏传感器的定义

气敏传感器也叫电子鼻，是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体或能连续测量气体成分、浓度的传感器。气敏传感器在环保、家用电器、集成电路（光伏、光纤）工厂车间、实验室、消防、公共交通、矿山等领域得到广泛应用。它将气体种类及其与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待测气体在环境中的存在情况及相关的信息，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。

2.气敏传感器的分类

一般气敏传感器是把气体的组成浓度转换成电阻变化，进而转换成电压或电流信号输出的传感器，通常气敏电阻是SnO2、ZnO、In2O3、Fe2O3 等材料，近年来发现碳纳米管和石墨烯具有灵敏度高、响应时间和恢复时间短的优势。气敏传感器的主要类型如表6-1所示。

表6-1　气敏传感器的主要类型

3.半导体气敏传感器

（1）半导体气敏传感器的工作原理和分类

气敏传感器的种类很多，按构成材料可分为半导体和非半导体两大类。其中半导体气敏传感器应用最广，在气敏传感器中约占60%。半导体气敏传感器由敏感元件、加热器、外壳等构成，它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2 等金属氧化物中添加Pd、Pt 等敏化剂的传感器。传感器的选择性由添加敏化剂的多少进行控制，例如，对于ZnO2 等系列传感器，若添加Pt，则传感器对丙烷与异丁烷有较高的灵敏度；若添加Pd，则对CO 与H2 比较敏感。

按照半导体变化的物理特性，半导体气敏传感器分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻型半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。

（2）电阻型气敏传感器

电阻型气敏传感器，按其结构可以分为烧结型、薄膜型、厚膜型三种类型，其中烧结型气敏传感器应用较广泛。电阻型气敏传感器的优点是工艺简单，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；缺点是稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。

1）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 ℃的制陶工艺烧结形成，因此，被称为半导体导瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1 μm 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。

烧结型气敏器件分为两种结构：直热式和旁热式。直热式气敏器件结构如图6-4所示。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，并兼作一个电极，稳定性较差。工作时加热丝被通电，测量电极用于测量器件阻值。此种结构的优点是制造工艺简单、成本低；缺点是热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路互相影响。

图6-4　直热式气敏器件

（a）结构；（b）符号
1，2—测量电极；3，4—加热丝兼电极

如图6-5所示为旁热式气敏器件结构，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，这样就使加热丝和测量电极分开，解决了直热式加热丝和测量电极相互影响的问题。因此旁热式比直热式热容量大，且稳定性和可靠性均有所提高。

图6-5　旁热式气敏器件

（a）结构；（b）符号

2）薄膜型气敏器件。

薄膜型气敏器件的结构如图6-6所示。制作时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，此类气敏器件灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低、应用广泛。

3）厚膜型气敏器件。

将SnO2、ZnO 等材料与硅凝胶混合制成能印制的厚膜胶，把厚膜胶用钢丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在高温下烧结制成如图6-7所示的厚膜型气敏器件。此类气敏器件一致性好，机械强度高，适于大批量生产。

图6-6　薄膜型气敏器件结构

图6-7　厚膜型气敏器件结构

图6-8　Pd-TiO2 二极管的伏安特性曲线

室内H2 浓度（×10 -6）为：a—0；b—14；c—140；d—1400；e—7150；f—10000；g—15000

（3）非电阻型气敏传感器

非电阻型气敏传感器可分为：二极管式气敏器件、MOS 二极管式气敏器件、Pd-MOSFET 式气敏器件。

1）二极管式气敏器件。

二极管整流特性与气体浓度有关，如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有影响的话，则其整流特性会变化。以检测H2 的Pd-TiO2 二极管为例，吸附氧时，使Pd的功函数变大，Pd-TiO2 界面的肖特基势垒增高，正向电流较小。遇到H2 时，势垒降低，引起正向电流变大。其伏安特性曲线如图6-8所示。

2）MOS 二极管式气敏器件。

MOS 二极管式气敏器件如图6-9所示，利用MOS 二极管电容—电压特性随被测气体浓度变化的特性对气体进行检测。在P 型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生成一层厚度为50～100 nm 的SiO2 层，然后再在其上蒸发一层钯金属薄膜作为栅电极。由于SiO2 层电容Ca 是固定不变的，Si-SiO2 界面电容Cx 是外加电压的函数，所以总电容C 是栅极偏压u 的函数，其函数关系称为MOS 管的C-u 特性。当传感器工作时，由于钯在吸附H2 后，会使钯的功函数降低，导致MOS 管的C-u 特性向负偏压方向平移，由此可测定H2 的浓度。

图6-9　MOS 二极管式气敏器件

（a）结构；（b）等效电路；（c）C-u 特性

3）Pd-MOSFET 式气敏器件。

钯-MOS 场效应晶体管（Pd-MOSFET）式气敏器件的结构如图6-10（a）所示，其工作原理是利用阈值电压UT 对栅极材料表面吸附气体非常敏感的特性对H2 进行检测。当栅极吸附气体后，栅极与半导体的功函数差和表面状态都会发生变化，UT 随之变化，Pd-MOSFET 的栅源电压与栅漏电流的关系如图6-10（b）所示。Pd-MOSFET 式气敏传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高，由于这类器件特性尚不够稳定，只能用作H2 的泄漏检测。

图6-10　Pd-MOSFET 式气敏器件

（a）结构；（b）栅源电压与栅漏电压的关系

4.气敏传感器的应用(www.xing528.com)

气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO2 等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹饪装置、酒精浓度探测等方面。

（1）燃气泄漏探测器

燃气泄漏探测器就是探测燃气浓度的探测器，其核心元部件为气敏传感器，安装在可能发生燃气泄漏的场所。当燃气在空气中的浓度超过设定值时探测器就会被触发报警，并对外发出声光报警信号，如果连接报警主机和接警中心则可联网报警，同时可以自动启动排风设备、关闭燃气管道阀门等，保障生命和财产的安全。在民用安全防范工程中，燃气泄漏探测器多用于家庭燃气泄漏报警，也被广泛应用于各类炼油厂、油库、化工厂、液化气站等易发生可燃气体泄漏的场所。家用燃气泄漏报警器如图6-11所示。

（2）酒精检测仪

酒精检测仪实际上是由酒精气体传感器（相当于随酒精气体浓度变化的变阻器）与一个定值电阻及一个电压表或电流表组成。酒精气体传感器电阻值随酒精气体浓度的增大而减小，如果驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，那么检测仪的电压表示数越大。呼气式酒精检测仪如图6-12所示。

图6-11　家用燃气泄漏报警器

图6-12　呼气式酒精检测仪

（3）矿灯瓦斯报警器

矿灯瓦斯报警器装配在酸性矿工灯上，使普通矿灯兼具照明与瓦斯报警两种功能。该报警器由电源变换器提供电路稳定电压并由气敏元件、报警点控制电路和报警信号电路构成。如在传感器故障的情况下，矿灯每十分钟闪一次。当矿灯在空气中监测到甲烷气体达到报警浓度时，矿灯每秒闪一次。

气敏传感器除了可以有效地进行瓦斯气体的检测、煤气的检测、酒精浓度检测外，还可以进行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。

二、湿敏传感器

1.湿度的定义及其表示方法

在生产生活中，经常要对车间、厂房、仓库、图书馆、办公室、实验室等环境空气的湿度进行监控，以便及时通风除湿。空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。通常采用绝对湿度、相对湿度、露点（霜点）几种方法表示。

（1）绝对湿度

绝对湿度（AH）是指单位体积的湿空气中所包含的水蒸气的质量，也就是空气中水蒸气的密度。一般用kg／m3 或g／m3 作单位，即一立方米湿空气中所含水蒸气的千克数或克数。

（2）相对湿度

相对湿度（RH）是指被测气体所含的水蒸气分压与该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比。其数学表达式为：

相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法，当相对湿度达100%时，称为饱和状态。

2.湿敏传感器的分类

湿敏传感器是一种能产生与湿度变化有关的物理或化学变化，并将其转换成电信号的装置，主要由湿敏元件和测量电路组成。湿敏元件主要有电阻式（电解质式、陶瓷式、高分子式）、电容式（陶瓷式、高分子式）两大类，除此之外，还有光纤式、界限电流式、二极管式、石英振子、SAW 式、微波式、热导式等湿敏元件。下面主要介绍电阻式和电容式湿敏传感器。

3.常用湿敏传感器

（1）湿敏电阻

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。按感湿材料分类，湿敏电阻可分为电解质式、陶瓷式、高分子式。

1）电解质（氯化锂）湿敏电阻。

电解质（氯化锂）湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂湿敏电阻结构如图6-13所示，它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，浓度降低，溶液电导率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电导率下降，从而实现对湿度的测量。通常氯化锂湿敏电阻呈负阻特性，如图6-14所示。

图6-13　氯化锂湿敏电阻的结构图

图6-14　氯化锂湿度—电阻特性曲线

氯化锂湿敏电阻的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%。它的缺点是耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。

2）半导体陶瓷湿敏电阻。

水是一种强极性的电解质，水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻率降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作的湿敏电阻。

半导体陶瓷多是金属氧化物材料，通过陶瓷工艺制成多孔结构陶瓷，而且在其形成过程中伴随有半导化过程。大多数半导体陶瓷具有负感湿特性，其电阻值随环境（空气）湿度的增加而减小。通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料分为负特性湿敏半导体陶瓷和正特性湿敏半导体陶瓷，负特性湿敏半导体陶瓷材料有ZnO-LiO2-V2O5 系、Si-Na2O-V2O5 系、TiO2-MgO-Cr2O3 系等，其湿敏特性曲线如图6-15（a）所示；正特性湿敏半导体陶瓷的材料有Fe3O4，图6-15（b）为正特性湿敏半导体陶瓷感湿特性曲线。

图6-15　半导体湿敏陶瓷感湿特性

（a）负特性；（b）正特性
1—ZnO-LiO2-V2O5 系；2—Si-Na2O-V2O5 系；3—TiO2-MgO-Cr2O3 系

陶瓷式湿敏传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱附；陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。

3）高分子湿敏电阻。

高分子湿敏电阻是利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化，当水吸附在强极性高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间凝聚化呈液态水状态。在低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高；当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。

高分子湿敏电阻的测量湿度范围大，工作温度在0～50 ℃，响应时间短（ ＜30 s），有利于湿度检测和控制。

（2）湿敏电容

图6-16　湿敏电容的结构

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。图6-16为湿敏电容的结构，湿敏电容由玻璃基片、下电极、电介质（湿敏材料）、上电极、引出线几部分组成，下电极与电介质、上电极构成的两个电容成串联连接。电介质是一种高分子材料，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化，当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度RH＝（0～100）%的变化，传感器的输出呈0～1 V 的线性变化。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

4.湿敏传感器的应用

湿敏传感器已经广泛地用于工业制造、医疗卫生、林业和畜牧业等各个领域，并可用于生活区的环境条件监控、食品烹调具和干燥机的控制等。

（1）湿敏传感器在玻璃窗中的应用

在微波炉中，陶瓷湿敏传感器用于监测食品烹制成熟程度。食品原料中含有水分，加热时它们将蒸发成水蒸气，因此通过测定炉中的湿度可以监控食品的加热程度。微波炉中的湿度变化范围很大，从百分之几的相对湿度一直到百分之百。同时可以控制微波炉的加热时间在几分钟内达到100 ℃左右。此外，除了水蒸气，在食物中还有大量不同的有机成分发散到微波炉中，在这种条件下，大多数湿敏传感器无法正常工作，而半导体陶瓷传感器克服了这些难点。

（2）露点检测仪

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，则空气的水蒸气压与同温度下的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度RH＝100%。该温度称为空气的露点温度，简称露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。如图6-17所示为便携式露点检测仪。

图6-17　便携式露点检测仪