1、气敏传感器气敏传感器 13.1 13.1 概述概述 13.1.11.1.产生原因产生原因:为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点具有使用方便、费用低等特点。2.2.发展过程发展过程:半导体气敏元件是半导体气敏元件是6060年代初期研制成功的，最先研制的是年代初期研制成功的，最先研制的是S SnOnO2 2薄膜元薄膜元件。它是利用加热条件下件。它是利用加热条件下S SnOnO2
2、2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。加而下降，实现对可燃性气体检测。继而又发现在继而又发现在SnOSnO2 2烧结体中添加烧结体中添加PtPt或或pdpd等贵重金属可提高灵敏度。等贵重金属可提高灵敏度。19681968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。元件也相继投放市场。3.3.常用的气敏元件常用的气敏元件:SnOSnO2 2半导体气敏元件，目前以半导体气敏元件，目前以TGSTGS型和型和QM-N5QM-N5型气敏元件为主型气敏元件为主.1
3、3.1.213.1.2 SnO SnO2 2半导体气敏元件特点半导体气敏元件特点（1 1）气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关）气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。（2 2）SnOSnO2 2材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnOSnO2 2气敏元气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。（3 3）SnOSnO2 2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、
4、气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。脱附时间短，可连续长时间使用。（4 4）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。良好。（5 5）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测气体浓度可通直接转变为电信号气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。信号处理电路简单。13.1.3 SnO2的基本性质 1.SnO1.SnO2 2 物理性质物理性质:SnO SnO2 2是一种白色粉末，密度是一种白色粉末，密度为为6.16-7.02g/cm6.16-7.02g/cm3 3，
5、熔点为，熔点为11271127，在更主温度下才能分，在更主温度下才能分解，沸点高于解，沸点高于19001900的金属气的金属气化物。化物。SnOSnO2 2不溶于水，能溶于不溶于水，能溶于热强酸和碱。热强酸和碱。2.SnO2.SnO2 2晶体结构晶体结构:是金红石型结构，具有正方晶是金红石型结构，具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离行六面体，体心和顶角由锡离子占据。其晶胞结构如图子占据。其晶胞结构如图10-10-1 61 6 所 示，晶 格 常 数 为所 示，晶 格 常 数 为a=0.475nma=0.475nm，c=0.319nmc=0.3
6、19nm。13.1.4 SnO13.1.4 SnO2 2的气敏效应的气敏效应1.1.经实验发现，多晶经实验发现，多晶SnOSnO2 2对多种气体具有气敏特性。对多种气体具有气敏特性。2.2.多孔型多孔型SnOSnO2 2半导体材料，半导体材料，其电导率随接触的气体种其电导率随接触的气体种类而变化。类而变化。一般吸附还一般吸附还原性气体时电导率升高。原性气体时电导率升高。而吸附氧化性气体时其电而吸附氧化性气体时其电导率降低。导率降低。这种阻值变这种阻值变化情况如图化情况如图10-1710-17所示。所示。13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素1 1）SnOSnO2 2结构组成对气敏效应的影
7、响结构组成对气敏效应的影响 SnOSnO2 2具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的SnOSnO2 2，一般都，一般都是偏离化学计量比的，在是偏离化学计量比的，在SnOSnO2 2中有氧空位或锡间隙原子。这种中有氧空位或锡间隙原子。这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，S SnOnO2 2中氧空位多，中氧空位多，气敏效应明显。气敏效应明显。（2 2）SnOSnO2 2中添加物对气敏效应的影响中添加物对气敏效应的影响 实验证明，实验证明，S SnOnO2 2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。中的添加物质，
8、对其气敏效应有明显影响。表表10-210-2列出了具有不同添加物质的列出了具有不同添加物质的SnOSnO2 2气敏元件的气敏效应。气敏元件的气敏效应。（3 3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响 实验证明，实验证明，制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对其气敏性能有明显影响其气敏性能有明显影响。因此，利用元件这一特性可进行选择。因此，利用元件这一特性可进行选择检测。检测。13.1.6 表表10-2 添加物对添加物对SnO2气敏效应的影响气敏效应的影响 添加物质 检测气体 使用温度（）PdO,Pd CO，C3H
9、8 酒精 200300 Pd,Pt过渡金属 CO，C3H8 200300 PdCI2SbCI3 CH4，C3H8,CO 200300 Sb2O3,TiO2TIO3 250300 V2O5，Cu 250400 稀土类 酒精系可燃性气体 过渡金属 还原性气体 250300 Sb2O3,Bi2O3 还原性气体 500800 高岭土（陶土），Bi2O3 WO LPG，CO，城市煤气，酒精酒精，丙酮碳氢系还原性气体20030013.1.6 SnO13.1.6 SnO2 2气敏元件的结构气敏元件的结构SnOSnO2 2气敏元件分类气敏元件分类:主要有三种类型：主要有三种类型：烧结型、烧结型、薄膜型薄膜型
10、厚薄型。厚薄型。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件是以多孔陶瓷气敏元件是以多孔陶瓷SnOSnO2 2为基为基材（料粒度在材（料粒度在1m1m以下），添加不同物质，以下），添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。采用传统制陶方法，进行烧结。烧结时埋入测量电极和加热线烧结时埋入测量电极和加热线，制成管芯，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加外加二层不锈钢网而
11、制成元件。二层不锈钢网而制成元件。主要用于检测还原性气体、可燃性气体和主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气液体蒸气。工作时需加热到。工作时需加热到300300左右左右.按其加热方式又可分为按其加热方式又可分为直热式和旁热式两直热式和旁热式两种。种。13.1.713.1.7（1 1）直热式）直热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18所示。组成:元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在SnO2基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。13.1.813.1.8（1 1）直热式）直热式SnOSnO2
12、2气敏元件特点气敏元件特点1.1.优点：优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内国内QNQN型和型和MQMQ型气敏元件型气敏元件.2.2.缺点缺点:热容量小，易受环境气流的影响；热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接触不良。触不良。13.1.913.1.9（2 2）旁热式）旁热式SnOSnO2
13、 2敏元件敏元件这种元件的结构示意图如图10-19所示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。13.1.913.1.9（2 2）旁热式）旁热式SnOSnO2 2敏元件特点敏元件特点这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容易大，降免了回路间的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。持了材料结构的稳定性。目前国产目前
14、国产QM-N5QM-N5型气敏元件，日本弗加罗型气敏元件，日本弗加罗TGS#812TGS#812、813813型气敏元件采用这种结构。型气敏元件采用这种结构。13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A 烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件是表面电阻控制型气敏元件是表面电阻控制型气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质气敏元件。制作元件的气敏材料多孔质SnOSnO2 2烧结体。在晶体中如果氧不足，将烧结体。在晶体中如果氧不足，将出现两种情况：一是产生氧空位，另一出现两种情况：一是产生氧空位，另一种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况，种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况，在禁带靠近导带的地方形成施主能级
15、。在禁带靠近导带的地方形成施主能级。这些施主能级上的电子，很容易激发到这些施主能级上的电子，很容易激发到导带而参与导电。导带而参与导电。13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理B烧结型SnO2气敏元件的气敏部分，就是这种N型SnO2材料晶粒形成的多孔质烧结体，其结合模型可用图10-20表示。13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C这种结构的半导体，其晶粒接触界面存在电子势垒，其接触部（或颈部）电阻对元件电阻起支配作用。显然，这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状，亦即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响。13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导
16、体表面获得电子，形成受主型表面氧吸附在半导体表面时，吸附的氧分子从半导体表面获得电子，形成受主型表面能级，从而使表面带负电能级，从而使表面带负电 1/2 O1/2 O2 2（气）（气）+n neOneOn-吸附吸附 （10-2110-21）式中式中On-On-吸附吸附表示吸附氧；表示吸附氧；On-On-吸附吸附 ;e;e电子电荷；电子电荷；;n;n个数。个数。由于氧吸附力很强，因此，由于氧吸附力很强，因此，SnOSnO2 2气敏元件在空气中放置时，其表面上总气敏元件在空气中放置时，其表面上总是会有吸附氧的，其吸附状态均是负电荷吸附状态。这对是会有吸附氧的，其吸附状态均是负电荷吸附状态。这对N
17、N型半导体来说，型半导体来说，形成电子势垒，使器件阻值升高。形成电子势垒，使器件阻值升高。当当SnOSnO2 2气敏元件接触还原性气体如气敏元件接触还原性气体如H2H2、COCO等时，被测气体则同吸附氧发等时，被测气体则同吸附氧发生反应，如图生反应，如图10-20c10-20c所示，减少了所示，减少了On-On-吸附密度，降低了势垒高度，从吸附密度，降低了势垒高度，从而降低了器件阻值。而降低了器件阻值。在添加增感剂（如在添加增感剂（如pdpd）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应，）的情况下，它可以起催化作用从而促进上述反应，提高了器件的灵敏度。增感剂作用如图提高了器件的灵敏度。增感剂作
18、用如图10-20d10-20d所示。所示。13.2.1 SnO13.2.1 SnO2 2主要性能参数主要性能参数 A A 标志元件性能的主要能数有：1、电阻R0和Rs 固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下（或洁净条件下）的阻值，又称正常电阻。工作电阻Rs代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。2、灵敏度K 气敏元件的灵敏度通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度K。3 3、响应时间、响应时间t trcsrcs 把从元件接触一定浓度的被测气把从元件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻值的时间，定义为响应时间，定
19、阻值的时间，定义为响应时间，用用t trcsrcs表示。表示。4 4、恢复时间、恢复时间t trccrcc 把气敏元件从脱离检测气体开始，把气敏元件从脱离检测气体开始，到期阻值恢得到正常空气中阻值到期阻值恢得到正常空气中阻值的时间，定义为恢得时间，用的时间，定义为恢得时间，用t trccrcc表示。表示。实际上，常用气敏元件从接触或实际上，常用气敏元件从接触或脱离检测气体开始，到其阻值或脱离检测气体开始，到其阻值或阻值增量达到某一确定值的时间，阻值增量达到某一确定值的时间，例如，气敏元件阻值增量由零变例如，气敏元件阻值增量由零变化到稳定增量的化到稳定增量的63%63%所需的时间，所需的时间，定
20、义为响应时间和恢复时间。定义为响应时间和恢复时间。RoRsk 13.2.1 SnO13.2.1 SnO2 2主要性能参数主要性能参数 B B5 5、加热电阻、加热电阻R RH H 和加热功率和加热功率P PH H 为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用R RH H表示。气表示。气敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用P PH H表示。表示。6 6、洁净空气电压、洁净空气电压U U0 0 在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，定义为洁净空所中电压，在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，
21、定义为洁净空所中电压，用用U U0 0表示。表示。U U0 0与与R R0 0的关系为的关系为 式中式中U UC C测试回路电压；测试回路电压；R RL L负载电阻。负载电阻。LLCLLRURURRRRUU00000或13.2.1 SnO13.2.1 SnO2 2主要性能参数主要性能参数 C C7 7、标定气体中电压、标定气体中电压U Ucscs SnOSnO2 2气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的气体中进行测度标定。气体
22、中进行测度标定。把这种气体称标定气体把这种气体称标定气体，例如，例如，QM-NQM-N5 5气气敏元件用敏元件用0.1%0.1%丁烷（空气稀释）为标定气体，丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813TGS813气敏元件气敏元件用用0.1%0.1%甲烷（空气稀释）为标定气体等等。甲烷（空气稀释）为标定气体等等。在标定气体中，气在标定气体中，气敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用UcsUcs表示。显然，表示。显然，UcsUcs与元件工作电阻与元件工作电阻RsRs相关相关 LURUsLsLccsRRRRRUUcsLc或8 8、电压比、
23、电压比Ku Ku 电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物理意义可按下式表示。理意义可按下式表示。（10-2610-26）式中，式中，Uc1和和UC2气敏元件在接触浓度为气敏元件在接触浓度为c1和和c2的标定气体时负载电阻的标定气体时负载电阻上电压的稳定值。上电压的稳定值。21ccUUK 13.2.1 SnO13.2.1 SnO2 2主要性能参数主要性能参数 D D9 9、回路电压、回路电压UcUc 测试测试SnOSnO2 2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，
24、用UcUc表表示。示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。对旁热式对旁热式SnOSnO2 2气敏元件，一般取气敏元件，一般取UcUc=10V=10V。13.2.213.2.2基本测试电路基本测试电路 烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件基本测试电路如图气敏元件基本测试电路如图10-2110-21所示。所示。图图10-21a10-21a为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路，为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路，图图10-21
25、b10-21b、c c采用交流电压测试旁热式气敏元件电路。采用交流电压测试旁热式气敏元件电路。无论哪种电路，都必须包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路。现无论哪种电路，都必须包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路。现以图以图10-21a10-21a为例，说明其测试原理。为例，说明其测试原理。图图10-21a10-21a中与元件加热器组成加热回路，直流稳压电源供给测试回路电压中与元件加热器组成加热回路，直流稳压电源供给测试回路电压U UH H，0-20V0-20V直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，负载电阻直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，负载电阻R RL L兼作
26、取兼作取样电阻。从测量回路可得到样电阻。从测量回路可得到 由式（由式（10-2810-28）可见，）可见，U URLRL与气敏元件电阻与气敏元件电阻RsRs具有对应关系，当具有对应关系，当R RS S降低时，降低时，U URLRL增高，反之增高，反之亦然。因此，测量亦然。因此，测量R RL L上电压降，即可测得气敏器件电阻上电压降，即可测得气敏器件电阻R RS S。图图10-21b10-21b、c c测试原理与图测试原理与图10-19a10-19a相同、用直流法还是用交流法测试，不影响测试结果，相同、用直流法还是用交流法测试，不影响测试结果，可根据实际情况选用。可根据实际情况选用。式中Ic回路
27、电流；URL负载电阻上的压降 RLLcsLsLcLcRLURURRRRURIU或（10-28）13.2.313.2.3气敏传感器的应用气敏传感器的应用 1半导体气敏元件的应用分类 按其用途可分为以下几种类型：（1）检漏仪或称探测器 它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气-电转换元件，配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。（2）报警器 这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。（3）自动控制仪器 它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。（4）测试仪器 它是利用气敏元件对不
28、同气体浓度关系来测量、确定气体种类和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配以高精度测量电路。13.2.413.2.4可燃性气体探测和检漏可燃性气体探测和检漏几种实用电路几种实用电路 A（1 1）袖珍式气体检漏仪）袖珍式气体检漏仪 利用半导体气敏元件可以用利用半导体气敏元件可以用电池供电和具有电路简单的电池供电和具有电路简单的特点，研制出袖珍式气体检特点，研制出袖珍式气体检漏仪，其特点是：体积小、漏仪，其特点是：体积小、灵敏度高、使用方便。灵敏度高、使用方便。图图10-3010-30是采用是采用QM-N5QM-N5型气敏型气敏元件组成的简易袖珍式气体元件组成的简易袖珍式气体检漏仪原
29、理图，其电路简单，检漏仪原理图，其电路简单，集成化，仅用了一块四与非集成化，仅用了一块四与非门集成电路，可用镉镍电池门集成电路，可用镉镍电池供电，用压电蜂鸣器（供电，用压电蜂鸣器（HAHA）和发光二极管（和发光二极管（VLVL）进行声）进行声光报警。气敏元件安装在探光报警。气敏元件安装在探测杆端部探测时，它可从机测杆端部探测时，它可从机内拉出。内拉出。对检漏现场有防爆要求时，必须用防爆气体检漏仪进行检漏。与普通检漏仪不同是的，这种检漏仪仪器壳体结构及有关部件要根据探测气体和防爆等级要求设计。采用QM-N5型气敏元件作气-转换元件，用电子吸气泵进行气体取样，用指针式仪表指示浓度，由蜂鸣器发出报警
30、声响。13.2.413.2.4可燃性气体探测和检漏可燃性气体探测和检漏几种实用电路几种实用电路（2 2）家用气体报警器）家用气体报警器 图图10-3110-31是一种最简单的家用气体报警器电路。气是一种最简单的家用气体报警器电路。气-电转换器件采用测试回电转换器件采用测试回路高电压的直热式气敏元件路高电压的直热式气敏元件TGS109TGS109。当室内可燃性气体增加时，由于气敏。当室内可燃性气体增加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经回路的电流便增加，可元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。直接驱动蜂鸣器报警。设计报警时，设计报
31、警时，应合理选择应合理选择开始报警浓度，选低了，灵敏度高，容易产生误开始报警浓度，选低了，灵敏度高，容易产生误报；选高了，又容易造成漏报，起不到报警效果报；选高了，又容易造成漏报，起不到报警效果 13.2.413.2.4可燃性气体探测和检漏可燃性气体探测和检漏几种实用电路几种实用电路图10-32是用旁热式气敏元件设计的家用气体报警器电路。该报警器采用QM-N5型气敏元件作气-电转换器件，灵敏度高、响应速度快。其工作原理是：报警器由交流220V电压供电。经C1/R1降压后输入给桥式整流电路，整流后电压再经C3滤波，VS5稳压二极管稳压，输出6V直流电压。一方面供给QM-N5型气敏元件加热丝加热，
32、另一方面供给VT1、VT2组成的开关电路和VT3VT6组成的报警声响电路。调节R4可使QM-N5型气敏元件加热电压为其最佳值；调节RP1，可调整报警器报警点。当报警器的气敏元件接触可燃性气体达到报警点浓度时，QM-N5型气敏元件的阻值降低。QM-N5与R5、RP1组成报警信号取样电路，则RP1两端电压升高，使VT两端电压升高，使VT1由截止转为导通状态，R8两端电压升高又使VT2导通，经R7输出一组直流电压，给报警声响电路，发出报警声响。第三节13-3湿敏传感器 13.3.1 湿度的表示方法和单位 正确地测知湿度非常困难正确地测知湿度非常困难，长期以来人们只是从不同侧面，采用多，长期以来人们只
33、是从不同侧面，采用多种二次湿度参数来表征湿度的大小。种二次湿度参数来表征湿度的大小。1 1水蒸气分压水蒸气分压 水蒸气分压是将含湿空气看作理想气体混合物时水蒸气压数值。水蒸气分压是将含湿空气看作理想气体混合物时水蒸气压数值。水蒸气分压是一个现在还不能直接测出的量。但因换算相对湿度、水蒸气分压是一个现在还不能直接测出的量。但因换算相对湿度、饱和差等湿度参数时又常常用到它，可由饱和差等湿度参数时又常常用到它，可由“湿度与饱和水蒸气压湿度与饱和水蒸气压”查查出。出。2 2绝对湿度（绝对湿度（AHAH）绝对湿度表示单位体积内含水蒸质量。绝对湿度单位一般采用绝对湿度表示单位体积内含水蒸质量。绝对湿度单位
34、一般采用g/mg/m3 3。温度温度tt时，绝对湿度时，绝对湿度AHAH与该与该 种含湿空气体所含水蒸气分压种含湿空气体所含水蒸气分压 e=22.4 x 101.3x(273+t)/18.0 x 273 AH e=22.4 x 101.3x(273+t)/18.0 x 273 AH （10-2910-29）水蒸气分压的单位是水蒸气分压的单位是papa（1 1标准大气标准大气=760mmHg=1.01325=760mmHg=1.0132510105 5papa）式（式（10-2910-29）虽是定义式，但因其分母与分子量纲不同，实用上相当）虽是定义式，但因其分母与分子量纲不同，实用上相当不便，故
35、一般用相对湿度、混合比等参数表示湿度。不便，故一般用相对湿度、混合比等参数表示湿度。3 3混合比混合比 除去某气体中的水蒸气，形成除去某气体中的水蒸气，形成1kg1kg干燥气体时，所清除的水蒸干燥气体时，所清除的水蒸气量（或此量与气量（或此量与1kg1kg干燥气体的比）称为混合比。单位是干燥气体的比）称为混合比。单位是kgkg、g g、mgmg、或、或kgkgkgkg、gkggkg、mgkgmgkg。4 4比湿比湿 1kg1kg含湿气体中所含水蒸气的质量称为比湿。单位一般用含湿气体中所含水蒸气的质量称为比湿。单位一般用kgkg、g g、mgmg表示，有时也用表示，有时也用kgkgkgkg、gk
36、ggkg、mgkgmgkg表示。表示。5 5饱和度饱和度 1kg1kg干燥气体中所含水蒸气量怀同温度与干燥气体中所含水蒸气量怀同温度与1kg1kg气体所能含的饱和气体所能含的饱和不蒸气量之比值叫作饱和度，一般用百分数表示。不蒸气量之比值叫作饱和度，一般用百分数表示。6 6饱和差饱和差 气体的水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气压的差，或者绝对湿气体的水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气压的差，或者绝对湿度与同温度时饱和状态的绝对湿度之差称为饱和差。度与同温度时饱和状态的绝对湿度之差称为饱和差。7 7相对湿度相对湿度 气体的水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气压的比值，或者其绝气体的水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气
37、压的比值，或者其绝对湿度与同温度时饱和状态的绝对湿度的比值称为湿度。相对对湿度与同温度时饱和状态的绝对湿度的比值称为湿度。相对湿度一般用百分数表示，记作湿度一般用百分数表示，记作 “%RH”%RH”。8 8露点露点 保持压力一定而降低待测气体温度至某一数值时，待测气体中保持压力一定而降低待测气体温度至某一数值时，待测气体中的水蒸气达到饱和状态开始结露或结霜，此时的温度称为这种的水蒸气达到饱和状态开始结露或结霜，此时的温度称为这种气体的露点或霜点（气体的露点或霜点（）13.3.2、烧结型半导体陶瓷湿敏元件，特点：使用寿命长、可在恶劣的条件下工作、可检测到1%RH的低湿状态、响应时间短、测量精度高
38、、使用温度范围宽（低于150）以及湿温滞环差较小等优点，所以它在当前湿敏元件生产和应用中，占有很重要的地位。13.3.3 工作原理 烧结型半导体陶瓷材料，一般为多孔结构的多晶体，而且在其烧结型半导体陶瓷材料，一般为多孔结构的多晶体，而且在其形成过程中伴随有半导化过程。半导体陶瓷多系金属化物材料，形成过程中伴随有半导化过程。半导体陶瓷多系金属化物材料，其半导体过程常是通过调整配方，进行掺杂，或通过控制烧结其半导体过程常是通过调整配方，进行掺杂，或通过控制烧结气氛有意造成氧元素过剩或不足而得以实现的。半导化过程的气氛有意造成氧元素过剩或不足而得以实现的。半导化过程的结果，使晶粒中产生了大量的载流子
39、结果，使晶粒中产生了大量的载流子电子或空穴。谤样一电子或空穴。谤样一方面使晶粒体内的电阻率降低，另一方面又使晶粒之间的界面方面使晶粒体内的电阻率降低，另一方面又使晶粒之间的界面处形成界面势垒，致使晶粒界面处的载流子耗尽而出现耗尽层。处形成界面势垒，致使晶粒界面处的载流子耗尽而出现耗尽层。因此，晶粒界面的电阻率将远大于晶粒体内的电阻率，而成为因此，晶粒界面的电阻率将远大于晶粒体内的电阻率，而成为半导体陶瓷材料在通电状态下电阻的主要部分，湿敏半导体陶半导体陶瓷材料在通电状态下电阻的主要部分，湿敏半导体陶瓷材料正是由于水分子在其表面和晶粒界面间的吸收所引起的瓷材料正是由于水分子在其表面和晶粒界面间的
40、吸收所引起的表面和晶粒界面处电阻率的变化，才具有湿敏特性的。大多数表面和晶粒界面处电阻率的变化，才具有湿敏特性的。大多数半导体陶瓷属于负感湿特性的半导体陶瓷，其阻体随环境（空半导体陶瓷属于负感湿特性的半导体陶瓷，其阻体随环境（空气）湿度的增加而减小。气）湿度的增加而减小。湿敏金属氧化物半导体陶瓷之所以具有负感湿特性，湿敏金属氧化物半导体陶瓷之所以具有负感湿特性，是由于水分子在陶瓷晶粒间界的吸附，可离解出大量是由于水分子在陶瓷晶粒间界的吸附，可离解出大量导电的离子，这些离子在水吸附层中就如同电解质溶导电的离子，这些离子在水吸附层中就如同电解质溶液中的导电离子一样担负着电荷的运输，也就是说，液中的
41、导电离子一样担负着电荷的运输，也就是说，电荷的载流子是离子。电荷的载流子是离子。在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷晶粒表面上，裸在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷晶粒表面上，裸露着正金属离子和负氧离子。水分子电离后，离解为露着正金属离子和负氧离子。水分子电离后，离解为正氢离子以和负氢氧根离子，于是，在陶瓷晶粒的表正氢离子以和负氢氧根离子，于是，在陶瓷晶粒的表面上就形成了负氢氧根离子和正金属离子以及氢离子面上就形成了负氢氧根离子和正金属离子以及氢离子与氧离子之间的第一层吸附与氧离子之间的第一层吸附化学吸附。化学吸附。MgCr2O4-TiO2固体组成的多孔性半导体陶瓷，是一种固体组成的多孔性半导体陶瓷
42、，是一种较好的感湿材料。较好的感湿材料。半导体惚半导体惚2 2湿敏元件的结构，湿敏元件的结构，如 图如 图 1 0-3 31 0-3 3 所 示。在所 示。在4mm4mm5mm5mm0.3mm0.3mm的的MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2陶瓷片的两面，设置多孔金电陶瓷片的两面，设置多孔金电极，并用掺金玻璃粉引出线与极，并用掺金玻璃粉引出线与金电极烧结在一起。在半导体金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍陶瓷片的外面，安放一个由镍丝绕制而成的加热清洗圈，以丝绕制而成的加热清洗圈，以便对元件经常进行加热清洗，便对元件经常进行加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。
43、排除有害气氛对元件的污染。元件安装在一种高度致密的、元件安装在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。为消除疏水性的陶瓷底片上。为消除底座上测量电极底座上测量电极2 2和和3 3之间同于之间同于吸湿和沾污而引起的漏电，在吸湿和沾污而引起的漏电，在电极电极2 2和和3 3的四周设置了金短路的四周设置了金短路环。图环。图10-3310-33中的中的1 1和和4 4为加热为加热清洗线圈的引出线。清洗线圈的引出线。13.3.4、湿敏传感器的应用 汽车驾驶室挡风玻璃自动去汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿装置，如图湿装置，如图10-37a10-37a、b b。图图10-37a10-37a为风挡玻示意图，为风挡玻示意
44、图，图中图中R R8 8为嵌入玻璃的加热阻为嵌入玻璃的加热阻丝，丝，H H 为结露感湿元件。为结露感湿元件。图图10-37b10-37b为所用的电路。为所用的电路。TVTV1 1、VTVT2 2接成施密特触发电路，接成施密特触发电路，VTVT2 2的集电极负载为继电器的集电极负载为继电器K K的线圈绕组。的线圈绕组。VTVT1 1的基极回路的基极回路的电阻为的电阻为R R1 1、R R2 2和湿敏元件和湿敏元件H H的等效电阻的等效电阻R Rpopo事先调整好各事先调整好各电阻值，使常温、常湿下电阻值，使常温、常湿下VTVT1 1导通，导通，VTVT2 2截止（截止（VTVT1 1的集电的集电极极-射极电压接近于零而使射极电压接近于零而使VTVT2 2截止）。截止）。
