第二节 气敏传感器
? 常见气体检测方法,
? 1）电化法
? 2）光学法
? 3）电气法：半导体式和接触燃烧式。
优点：灵敏度高、响应速度快
制作简单、价格便宜
介绍两种,电阻式 和 MOSFET气体传感器
一、电阻式气敏传感器
1.原理
半导体材料 (如 SnO2)表面吸附某些气体时，
其导电率随气体浓度变化而变化。
例,SnO2多晶硅（ N型），内部电阻值等效
为三种电阻串联：
Rn— 晶 粒间的晶间电阻
Rs— 单 个晶粒表面电阻
Rb— 单 个晶粒的体电阻，不随表面气体变化
Rn>> Rs
则气敏电阻等效为 Rn
电阻率 ↓ 电阻率 ↑
还原性 氧化性
分为三种,烧结型, 薄膜型和厚膜型。
? 图 6-5 为烧结型,SnO2。
2.电阻式气敏传感器的特性
? 优点,灵敏度高、响应速度快。
? 缺点,温度、湿度影响较大 。
1）温度的影响,注意加电初期
的过渡状态！
2）湿度的影响
湿
3）催化剂和添加剂的作用
二,MOSFET气敏传感器
? 将普通 MOS管的 Al金属栅极 换成能溶于
氢气 (H2)的 金属钯（ Pd） 或铂（ Pt） 。
? 半导体用 P型单晶硅,电阻率 1.2Ω·cm
? 氢气 →Pd栅膜表面 →分解氢原子 →被 Pd
栅膜和 SiO2界面吸收 →Pd电子功函数 ↓
→阈值电压 UT改变。
? 设 无 氢气时的阈值电压为 UT0;
有 氢气时的阈值电压为 Uta,
则反应氢气浓度变化 △ UT= Uta- UT0 (6-13)
*测量环境中有无 氧气 不同，见书中式 6-14
△ UM为最大阈值变化量
阈值电压变化测量电路如下：
VD>VG-VT 饱和
2.催化金属栅场效应管传感器的特性
(1)灵敏度
*当有氧气时,生成的水分子降低了灵敏度,
(2)温度特性,在有氧气的情况下,高温时灵
敏度较好 (大于 100℃ ).
(3)响应特性,当气体浓度发生阶跃变化,输
出 △ UT达到稳态值的 95%时的时间,
分,响应时间 和 恢复时间,
主要取决于氢气在 Pd,SiO2,Si中的扩散
速度。
扩散系数大
响应时间短
（ 4）稳定性,在其他条件不变情况下，
△ UT随时间发生漂移。
第三节 湿敏传感器
? 水分子亲和力 型：水分子易于吸附并渗
透。
例,金属氧化物式 。
? 非水分子亲和力 型：水分子不吸附并渗
透。
例,超声波式 。
一、水分子亲和力型湿敏传感器
1.敏感材料
(1) 氯化锂电解质 (LiCl):离子晶体，遇湿离
子导电状态发生变化。
(2) 高分子材料, 电特性（如电阻）随湿度
变化。
(3) 金属氧化物, 吸水和脱水性好，吸水后
电阻率变化。
(4) 金属氧化物陶瓷, 晶粒间有开放气孔，
吸湿后，电阻变化。
2.MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿敏传感器
（ 1）基本物理特性：
多孔气孔孔径 1~3μm;耐高温。
第一阶段, 吸湿初期（低湿）, 少量水蒸
气在晶界面吸附形成胫基，离解后的质
子向里面晶格滚动。
第二阶段, 进一步吸湿（中等湿），形成
水的多分子层，表面湿度增加，电阻大
幅度下降。
第三阶段, 晶粒界全部充满水分（高湿），
电极间电解质层均匀，电阻值更加降低。
? 特点：在 0~100%RH湿度范围内，电阻
值可以变化 5个数量级。
（ 2）湿度传感器
? 陶瓷特点,耐热、化学和物理特性稳定 。
? 结构,在 湿敏材料（陶瓷） 外两侧涂糊
状 氧化钌（ RuO2）, 四周围绕加热丝，
引线用铂 -铱合金。
? 氧化钌 与 陶瓷 的热膨胀系数、粘接性一
致。易于水分的吸附与脱却。
? 测湿前，表面加热至 450℃,以便去除表
面污垢，改善传感器特性。
传感器结构及输出特性图：
（ 3）陶瓷湿敏传感器的特点
优点：
1） 接触面积大，易于水蒸气的吸收和脱却。
2）耐高温，物理、化学性质稳定。
3）调整表面晶粒、晶粒界和气孔的构造，
改善传感器特性。
缺点：
1） 反复吸附使表面构造变化，产生滞后误
差。
2）蒸气量少时，平衡时间长。
二、非水分子亲和力型湿敏传感器
1.热敏电阻式湿敏传感器
特点,热力学方法,速度快,无滞后,
(1)原理及绝对湿度测量
R1,R2保持 200℃,R1暴露空气,R2密封,
? 测量电桥原理,
当 R1置于干燥空气中时,UAB=0;置于含湿空
气中,UAB≠0,
? 测量特性受 温度 影响,
(2)性能与特点
1)混入其他气体时,影响测量精度,
2)无滞后误差,
3)测湿响应速度大约十几秒,
4)成本较高,
2.红外线吸收式湿敏传感器
水蒸气可以 吸收 某个波段的红外线,
若光源光强 I0,经过吸收系数 ε,含量为 C的潮
湿空气 (长度 L),光强衰减为 I,则,
△ I= I0 -I= I0(1-e- εLc) (6-16)
? 测得 I0和 I后,可求出 C.
? 为提高测量精度,用双波长红外线,
3.超声波式湿敏传感器
? 利用超声波的传播速度与温、湿度相关
的特性。
? 优点,不受辐射热影响，响应速度快。
? 缺点,对电子电路要求高 。
? 应用,气球高空测湿和温室环境测量 。
? 常见气体检测方法,
? 1）电化法
? 2）光学法
? 3）电气法：半导体式和接触燃烧式。
优点：灵敏度高、响应速度快
制作简单、价格便宜
介绍两种,电阻式 和 MOSFET气体传感器
一、电阻式气敏传感器
1.原理
半导体材料 (如 SnO2)表面吸附某些气体时，
其导电率随气体浓度变化而变化。
例,SnO2多晶硅（ N型），内部电阻值等效
为三种电阻串联：
Rn— 晶 粒间的晶间电阻
Rs— 单 个晶粒表面电阻
Rb— 单 个晶粒的体电阻，不随表面气体变化
Rn>> Rs
则气敏电阻等效为 Rn
电阻率 ↓ 电阻率 ↑
还原性 氧化性
分为三种,烧结型, 薄膜型和厚膜型。
? 图 6-5 为烧结型,SnO2。
2.电阻式气敏传感器的特性
? 优点,灵敏度高、响应速度快。
? 缺点,温度、湿度影响较大 。
1）温度的影响,注意加电初期
的过渡状态！
2）湿度的影响
湿
3）催化剂和添加剂的作用
二,MOSFET气敏传感器
? 将普通 MOS管的 Al金属栅极 换成能溶于
氢气 (H2)的 金属钯（ Pd） 或铂（ Pt） 。
? 半导体用 P型单晶硅,电阻率 1.2Ω·cm
? 氢气 →Pd栅膜表面 →分解氢原子 →被 Pd
栅膜和 SiO2界面吸收 →Pd电子功函数 ↓
→阈值电压 UT改变。
? 设 无 氢气时的阈值电压为 UT0;
有 氢气时的阈值电压为 Uta,
则反应氢气浓度变化 △ UT= Uta- UT0 (6-13)
*测量环境中有无 氧气 不同，见书中式 6-14
△ UM为最大阈值变化量
阈值电压变化测量电路如下：
VD>VG-VT 饱和
2.催化金属栅场效应管传感器的特性
(1)灵敏度
*当有氧气时,生成的水分子降低了灵敏度,
(2)温度特性,在有氧气的情况下,高温时灵
敏度较好 (大于 100℃ ).
(3)响应特性,当气体浓度发生阶跃变化,输
出 △ UT达到稳态值的 95%时的时间,
分,响应时间 和 恢复时间,
主要取决于氢气在 Pd,SiO2,Si中的扩散
速度。
扩散系数大
响应时间短
（ 4）稳定性,在其他条件不变情况下，
△ UT随时间发生漂移。
第三节 湿敏传感器
? 水分子亲和力 型：水分子易于吸附并渗
透。
例,金属氧化物式 。
? 非水分子亲和力 型：水分子不吸附并渗
透。
例,超声波式 。
一、水分子亲和力型湿敏传感器
1.敏感材料
(1) 氯化锂电解质 (LiCl):离子晶体，遇湿离
子导电状态发生变化。
(2) 高分子材料, 电特性（如电阻）随湿度
变化。
(3) 金属氧化物, 吸水和脱水性好，吸水后
电阻率变化。
(4) 金属氧化物陶瓷, 晶粒间有开放气孔，
吸湿后，电阻变化。
2.MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿敏传感器
（ 1）基本物理特性：
多孔气孔孔径 1~3μm;耐高温。
第一阶段, 吸湿初期（低湿）, 少量水蒸
气在晶界面吸附形成胫基，离解后的质
子向里面晶格滚动。
第二阶段, 进一步吸湿（中等湿），形成
水的多分子层，表面湿度增加，电阻大
幅度下降。
第三阶段, 晶粒界全部充满水分（高湿），
电极间电解质层均匀，电阻值更加降低。
? 特点：在 0~100%RH湿度范围内，电阻
值可以变化 5个数量级。
（ 2）湿度传感器
? 陶瓷特点,耐热、化学和物理特性稳定 。
? 结构,在 湿敏材料（陶瓷） 外两侧涂糊
状 氧化钌（ RuO2）, 四周围绕加热丝，
引线用铂 -铱合金。
? 氧化钌 与 陶瓷 的热膨胀系数、粘接性一
致。易于水分的吸附与脱却。
? 测湿前，表面加热至 450℃,以便去除表
面污垢，改善传感器特性。
传感器结构及输出特性图：
（ 3）陶瓷湿敏传感器的特点
优点：
1） 接触面积大，易于水蒸气的吸收和脱却。
2）耐高温，物理、化学性质稳定。
3）调整表面晶粒、晶粒界和气孔的构造，
改善传感器特性。
缺点：
1） 反复吸附使表面构造变化，产生滞后误
差。
2）蒸气量少时，平衡时间长。
二、非水分子亲和力型湿敏传感器
1.热敏电阻式湿敏传感器
特点,热力学方法,速度快,无滞后,
(1)原理及绝对湿度测量
R1,R2保持 200℃,R1暴露空气,R2密封,
? 测量电桥原理,
当 R1置于干燥空气中时,UAB=0;置于含湿空
气中,UAB≠0,
? 测量特性受 温度 影响,
(2)性能与特点
1)混入其他气体时,影响测量精度,
2)无滞后误差,
3)测湿响应速度大约十几秒,
4)成本较高,
2.红外线吸收式湿敏传感器
水蒸气可以 吸收 某个波段的红外线,
若光源光强 I0,经过吸收系数 ε,含量为 C的潮
湿空气 (长度 L),光强衰减为 I,则,
△ I= I0 -I= I0(1-e- εLc) (6-16)
? 测得 I0和 I后,可求出 C.
? 为提高测量精度,用双波长红外线,
3.超声波式湿敏传感器
? 利用超声波的传播速度与温、湿度相关
的特性。
? 优点,不受辐射热影响，响应速度快。
? 缺点,对电子电路要求高 。
? 应用,气球高空测湿和温室环境测量 。
