气体传感器-讲解概要课件.ppt

气敏气敏传感器感器 13.1 概述概述 13.1.11.1.产生原因生原因:为了了确确保保安安全全，需需对各各种种可可燃燃性性气气体体、有有毒毒性性气气体体进行行检测。目目前前实用用气气体体方方法法很很多多，其其中中接接触触燃燃烧法法和和用用半半导体体气气敏敏传感感器器检测法法具有使用方便、具有使用方便、费用低等特点用低等特点。2.2.发展展过程程:半半导体体气气敏敏元元件件是是6060年年代代初初期期研研制制成成功功的的，最最先先研研制制的的是是S SnOnO2 2薄薄膜膜元元件件。它它是是利利用用加加热条条件件下下S SnOnO2 2薄薄膜膜电阻阻随随接接触触的的可可燃燃性性气气体体浓度度增增加而下降，加而下降，实现对可燃性气体可燃性气体检测。继而而又又发现在在SnOSnO2 2烧结体体中中添添加加PtPt或或pdpd等等贵重重金金属属可可提提高高灵灵敏敏度度。19681968年年诞生生了了商商品品半半导体体气气敏敏元元件件，其其后后，其其它它材材料料的的半半导体体气气敏敏元件也相元件也相继投放市投放市场。3.3.常用的气敏元件常用的气敏元件:SnOSnO2 2半半导导体气敏元件，目前以体气敏元件，目前以TGSTGS型和型和QM-N5QM-N5型气敏元件型气敏元件为为主主.13.1.2 SnO SnO2 2半半导体气敏元件特点体气敏元件特点（1 1）气气敏敏元元件件阻阻值随随气气体体浓度度变化化关关系系为指指数数变化化关关系。因此，非常适用于微量低系。因此，非常适用于微量低浓度气体的度气体的检测。（2 2）SnOSnO2 2材材料料的的物物理理、化化学学稳定定性性较好好，与与其其它它类型型气气敏敏元元件件（如如接接触触燃燃烧式式气气敏敏元元件件）相相比比，SnOSnO2 2气气敏敏元元件寿命件寿命长、稳定性好、耐腐定性好、耐腐蚀性性强。（3 3）SnOSnO2 2气气敏敏元元件件对气气体体检测是是可可逆逆的的，而而且且吸吸附附、脱附脱附时间短，可短，可连续长时间使用。使用。（4 4）元元件件结构构简单，成成本本低低，可可靠靠性性较高高，机机械械性性能能良好。良好。（5 5）对气气体体检测不不需需要要复复杂的的处理理设备。可可将将待待检测气体气体浓度可通直接度可通直接转变为电信号信号,信号信号处理理电路路简单。13.1.3 SnO2的基本性质 1.SnO1.SnO2 2 物理性物理性质:SnOSnO2 2是是一一种种白白色色粉粉末末，密密度度为 6.16-7.02g/cm6.16-7.02g/cm3 3，熔熔 点点 为11271127，在在更更主主温温度度下下才才能能分分解解，沸沸点点高高于于19001900的的金金属属气气化化物物。SnOSnO2 2不不溶溶于于水水，能能溶溶于于热强酸和碱。酸和碱。2.SnO2.SnO2 2晶体晶体结构构:是是金金红石石型型结构构，具具有有正正方方晶晶系系对称称，其其晶晶胞胞为体体心心正正交交平平行行六六面面体体，体体心心和和顶角角由由锡离离子子占占据据。其其晶晶胞胞结构构如如图10-10-1616所所 示示，晶晶 格格 常常 数数 为a=0.475nma=0.475nm，c=0.319nmc=0.319nm。13.1.4 SnO13.1.4 SnO2 2的气敏效的气敏效应1.1.经实验发现，多晶，多晶SnOSnO2 2对多种气体具有气敏特性。多种气体具有气敏特性。2.2.多孔型多孔型SnOSnO2 2半半导体材料，体材料，其其电导率随接触的气体种率随接触的气体种类而而变化。化。一般吸附一般吸附还原原性气体性气体时电导率升高。而率升高。而吸附氧化性气体吸附氧化性气体时其其电导率降低。率降低。这种阻种阻值变化情化情况如况如图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结构构组成成对气敏效气敏效应的影响的影响 SnOSnO2 2具具有有金金红石石型型晶晶体体结构构，用用于于制制作作气气敏敏元元件件的的SnOSnO2 2，一一般般都都是是偏偏离离化化学学计量量比比的的，在在SnOSnO2 2中中有有氧氧空空位位或或锡间隙隙原原子子。这种种结构构缺缺陷陷直直接接影影响响气气敏敏器器件件特特征征。一一般般地地说，S SnOnO2 2中中氧氧空空位位多多，气敏效气敏效应明明显。（2 2）SnOSnO2 2中添加物中添加物对气敏效气敏效应的影响的影响 实验证明，明，S SnOnO2 2中的添加物中的添加物质，对其气敏效其气敏效应有明有明显影响。影响。表表10-210-2列出了具有不同添加物列出了具有不同添加物质的的SnOSnO2 2气敏元件的气敏效气敏元件的气敏效应。（3 3）烧结温度和加温度和加热温度温度对气敏效气敏效应的影响的影响 实验证明明，制制作作元元件件的的烧结温温度度和和元元件件工工作作时的的加加热温温度度，对其其气气敏敏性性能能有有明明显影影响响。因因此此，利利用用元元件件这一一特特性性可可进行行选择检测。13.1.6 表表10-2 添加物添加物对SnO2气敏效气敏效应的影响的影响 添加物质 检测气体 使用温度（）PdO,Pd CO，C3H8 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气敏元件的气敏元件的结构构SnOSnO2 2气敏元件分气敏元件分类:主要有三种主要有三种类型：型：烧结型、型、薄膜型薄膜型 厚薄型。厚薄型。其其中中烧结型型气气敏敏元元件件是是目目前前工工艺最最成成熟熟，应用用最最广广泛的元件，泛的元件，这里里仅对其其结构加以介构加以介绍。13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构烧结型型SnOSnO2 2气气敏敏元元件件是是以以多多孔孔陶陶瓷瓷SnOSnO2 2为基基材材（料料粒粒度度在在1m1m以以下下），添添加加不不同同物物质，采用采用传统制陶方法，制陶方法，进行行烧结。烧结时埋埋入入测量量电极极和和加加热线，制制成成管管芯芯，最最后后将将电极极和和加加热丝引引线焊在在管管座座上上,外外加加二二层不不锈钢网而制成元件。网而制成元件。主主要要用用于于检测还原原性性气气体体、可可燃燃性性气气体体和和液体蒸气液体蒸气。工作。工作时需加需加热到到300300左右左右.按按其其加加热方方式式又又可可分分为直直热式式和和旁旁热式式两两种。种。13.1.713.1.7（1 1）直）直热式式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）直热式式SnOSnO2 2气敏元件特点气敏元件特点1.1.优点：点：制制作作工工艺简单、成成本本低低、功功耗耗小小、可可以以在在高高电压下下使使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。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，易受容量小，易受环境气流的影响；境气流的影响；测量回路与加量回路与加热回路回路间没有隔离，互相影响；没有隔离，互相影响；加加热丝在在加加热和和不不加加热状状态下下会会产生生涨缩，易易造造成成接接触不良。触不良。13.1.913.1.9（2 2）旁）旁热式式SnOSnO2 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）旁热式式SnOSnO2 2敏元件特点敏元件特点这种种结构构克克服服了了直直热式式的的缺缺点点，其其测量量极极与与加加热丝分分开开，加加热丝不不与与气气敏敏元元件件接接触触，避避免免了了回回路路间的的互互相相影影响响；元元件件热容容易易大大，降降低低了了环境境气气氛氛对元元件件加加热温温度度的的影影响响，并并保保持了材料持了材料结构的构的稳定性。定性。目目前前国国产QM-N5QM-N5型型气气敏敏元元件件，日日本本弗弗加加罗TGS#812TGS#812、813813型气敏元件采用型气敏元件采用这种种结构。构。13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A 烧结型型SnOSnO2 2气气敏敏元元件件是是表表面面电阻阻控控制制型型气气敏敏元元件件。制制作作元元件件的的气气敏敏材材料料多多孔孔质SnOSnO2 2烧结体体。在在晶晶体体中中如如果果氧氧不不足足，将将出出现两两种种情情况况：一一是是产生生氧氧空空位位，另另一一种种是是产生生锡间隙隙原原子子。但但无无论哪哪种种情情况况，在在禁禁带靠靠近近导带的的地地方方形形成成施施主主能能级。这些些施施主主能能级上上的的电子子，很很容容易易激激发到到导带而参与而参与导电。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氧氧吸吸附附在在半半导体体表表面面时，吸吸附附的的氧氧分分子子从从半半导体体表表面面获得得电子子，形形成成受受主主型型表表面面能能级，从而使表面，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电子子电荷；荷；;n;n个数。个数。由由于于氧氧吸吸附附力力很很强，因因此此，SnOSnO2 2气气敏敏元元件件在在空空气气中中放放置置时，其其表表面面上上总是是会会有有吸吸附附氧氧的的，其其吸吸附附状状态均均是是负电荷荷吸吸附附状状态。这对N N型型半半导体体来来说，形成形成电子子势垒，使器件阻，使器件阻值升高。升高。当当SnOSnO2 2气气敏敏元元件件接接触触还原原性性气气体体如如H2H2、COCO等等时，被被测气气体体则同同吸吸附附氧氧发生生反反应，如如图10-20c10-20c所所示示，减减少少了了On-On-吸吸附附密密度度，降降低低了了势垒高高度度，从从而降低了器件阻而降低了器件阻值。在在添添加加增增感感剂（如如pdpd）的的情情况况下下，它它可可以以起起催催化化作作用用从从而而促促进上上述述反反应，提高了器件的灵敏度。增感提高了器件的灵敏度。增感剂作用如作用如图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、响应时间t trcsrcs 把把从从元元件件接接触触一一定定浓度度的的被被测气气体体开开始始到到其其阻阻值达达到到该浓度度下下稳定定阻阻值的的时间，定定义为响响应时间，用用t trcsrcs表示。表示。4 4、恢复、恢复时间t trccrcc 把把气气敏敏元元件件从从脱脱离离检测气气体体开开始始，到到期期阻阻值恢恢得得到到正正常常空空气气中中阻阻值的的时间，定定义为恢恢得得时间，用用t trccrcc表示。表示。实际上，常用气敏元件从接触或上，常用气敏元件从接触或脱离脱离检测气体开始，到其阻气体开始，到其阻值或或阻阻值增量达到某一确定增量达到某一确定值的的时间，例如，气敏元件阻例如，气敏元件阻值增量由零增量由零变化到化到稳定增量的定增量的63%63%所需的所需的时间，定定义为响响应时间和恢复和恢复时间。13.2.1 SnO13.2.1 SnO2 2主要性能参数主要性能参数 B B5 5、加、加热电阻阻R RH H 和加和加热功率功率P PH H 为气气敏敏元元件件提提供供工工作作温温度度的的加加热器器电阻阻称称为加加热电阻阻，用用R RH H表表示示。气气敏元件正常工作所需要的功率称敏元件正常工作所需要的功率称为加加热功率，用功率，用P PH H表示。表示。6 6、洁净空气空气电压U U0 0 在在洁净空气中，气敏元件空气中，气敏元件负载电阻上的阻上的电压，定，定义为洁净空所中空所中电压，用用U U0 0表示。表示。U U0 0与与R R0 0的关系的关系为 式中式中U UC C测试回路回路电压；R RL L负载电阻。阻。13.2.1 SnO13.2.1 SnO2 2主要性能参数主要性能参数 C C7 7、标定气体中定气体中电压U Ucscs SnOSnO2 2气气敏敏元元件件在在不不同同气气体体、不不同同浓度度条条件件下下，其其阻阻值将将相相应发生生变化化。因因此此，为了了给出出元元件件的的特特性性，一一般般总是是在在一一定定浓度度的的气气体体中中进行行测度度标定定。把把这种种气气体体称称标定定气气体体，例例如如，QM-NQM-N5 5气气敏敏元元件件用用0.1%0.1%丁丁烷（空空气气稀稀释）为标定定气气体体，TGS813TGS813气气敏敏元元件件用用0.1%0.1%甲甲烷（空空气气稀稀释）为标定定气气体体等等等等。在在标定定气气体体中中，气气敏敏元元件件的的负载电阻阻上上电压的的稳定定值称称为标定定气气体体中中电压，用用UcsUcs表示。表示。显然，然，UcsUcs与元件工作与元件工作电阻阻RsRs相关相关 8 8、电压比比Ku Ku 电压比比是是表表示示气气敏敏元元件件对气气体体敏敏感感特特性性，与与气气敏敏元元件件灵灵敏敏度度相相关关。它它的的物物理意理意义可按下式表示。可按下式表示。（10-2610-26）式中，式中，Uc1和和UC2气敏元件在接触气敏元件在接触浓度度为c1和和c2的的标定气体定气体时负载电阻上阻上电压的的稳定定值。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、回路电压UcUc 测试SnOSnO2 2气敏元件的气敏元件的测试回路所加回路所加电压称称为回路回路电压，用，用UcUc表表示。示。这个个电压对测试和使用气敏器件很有和使用气敏器件很有实用价用价值。根据此。根据此电压值，可以，可以选负载电阻，并阻，并对气敏元件气敏元件输出的信号出的信号进行行调整。整。对旁旁热式式SnOSnO2 2气敏元件，一般取气敏元件，一般取UcUc=10V=10V。13.2.213.2.2基本基本测试电路路 烧结型型SnOSnO2 2气敏元件基本气敏元件基本测试电路如路如图10-2110-21所示。所示。图10-21a10-21a为采用直流采用直流电压测试旁旁热式气敏元件式气敏元件电路，路，图10-21b10-21b、c c采用交流采用交流电压测试旁旁热式气敏元件式气敏元件电路。路。无无论哪哪种种电路路，都都必必须包包括括两两部部分分，即即气气敏敏元元件件的的加加热回回路路和和测试回回路路。现以以图10-21a10-21a为例，例，说明其明其测试原理。原理。图10-21a10-21a中与元件加中与元件加热器器组成加成加热回路，直流回路，直流稳压电源供源供给测试回路回路电压U UH H，0-20V0-20V直流直流稳压电源与气敏元件及源与气敏元件及负载电阻阻组成成测试回路，回路，负载电阻阻R RL L兼作兼作取取样电阻。从阻。从测量回路可得到量回路可得到 由由式式（10-2810-28）可可见，U URLRL与与气气敏敏元元件件电阻阻RsRs具具有有对应关关系系，当当R RS S降降低低时，U URLRL增增高高，反反之之亦然。因此，亦然。因此，测量量R RL L上上电压降，即可降，即可测得气敏器件得气敏器件电阻阻R RS S。图10-21b10-21b、c c测试原原理理与与图10-19a10-19a相相同同、用用直直流流法法还是是用用交交流流法法测试，不不影影响响测试结果果，可根据可根据实际情况情况选用。用。式中Ic回路电流；URL负载电阻上的压降 （10-28）13.2.313.2.3气敏气敏传感器的感器的应用用 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可燃性气体探可燃性气体探测和和检漏漏几种几种实实用用电电路路 A（1 1）袖珍式气体）袖珍式气体检漏漏仪 利利用用半半导体体气气敏敏元元件件可可以以用用电池池供供电和和具具有有电路路简单的的特特点点，研研制制出出袖袖珍珍式式气气体体检漏漏仪，其其特特点点是是：体体积小小、灵敏度高、使用方便。灵敏度高、使用方便。图10-3010-30是是采采用用QM-N5QM-N5型型气气敏敏元元件件组成成的的简易易袖袖珍珍式式气气体体检漏漏仪原原理理图，其其电路路简单，集集成成化化，仅用用了了一一块四四与与非非门集集成成电路路，可可用用镉镍电池池供供电，用用压电蜂蜂鸣器器（HAHA）和和发光光二二极极管管（VLVL）进行行声声光光报警警。气气敏敏元元件件安安装装在在探探测杆杆端端部部探探测时，它它可可从从机机内拉出。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，由蜂鸣器发出报警声响。13.2.413.2.4可燃性气体探可燃性气体探测和和检漏漏几种几种实实用用电电路路（2 2）家用气体）家用气体报警器警器 图10-3110-31是是一一种种最最简单的的家家用用气气体体报警警器器电路路。气气-电转换器器件件采采用用测试回回路路高高电压的的直直热式式气气敏敏元元件件TGS109TGS109。当当室室内内可可燃燃性性气气体体增增加加时，由由于于气气敏敏元元件件接接触触到到可可燃燃性性性性气气体体而而其其阻阻值降降低低，这样流流经回回路路的的电流流便便增增加加，可可直接直接驱动蜂蜂鸣器器报警。警。设设计计报报警警时时，应合合理理选择开开始始报报警警浓浓度度，选选低低了了，灵灵敏敏度度高高，容容易易产产生生误误报报；选选高了，又容易造成漏高了，又容易造成漏报报，起不到，起不到报报警效果警效果 13.2.413.2.4可燃性气体探可燃性气体探测和和检漏漏几种几种实实用用电电路路图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，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 正确地正确地测知湿度非常困知湿度非常困难，长期以来人期以来人们只是从不同只是从不同侧面，采用多面，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水蒸气分水蒸气分压 水蒸气分水蒸气分压是将含湿空气看作理想气体混合物是将含湿空气看作理想气体混合物时水蒸气水蒸气压数数值。水蒸气分水蒸气分压是一个是一个现在在还不能直接不能直接测出的量。但因出的量。但因换算相算相对湿度、湿度、饱和差等湿度参数和差等湿度参数时又常常用到它，可由又常常用到它，可由“湿度与湿度与饱和水蒸气和水蒸气压”查出。出。2 2绝对湿度（湿度（AHAH）绝对湿度表示湿度表示单位体位体积内含水蒸内含水蒸质量。量。绝对湿度湿度单位一般采用位一般采用g/mg/m3 3。温度温度tt时，绝对湿度湿度AHAH与与该 种含湿空气体所含水蒸气分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 AHe=22.4 x 101.3x(273+t)/18.0 x 273 AH （10-2910-29）水蒸气分水蒸气分压的的单位是位是papa（1 1标准大气准大气=760mmHg=1.01325=760mmHg=1.0132510105 5papa）式（式（10-2910-29）虽是定是定义式，但因其分母与分子量式，但因其分母与分子量纲不同，不同，实用上相当用上相当不便，故一般用相不便，故一般用相对湿度、混合比等参数表示湿度。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干燥气体干燥气体时，所清除的水蒸，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）称干燥气体的比）称为混合比。混合比。单位是位是kgkg、g g、mgmg、或、或kgkgkgkg、gkggkg、mgkgmgkg。4 4比湿比湿 1kg1kg含含湿湿气气体体中中所所含含水水蒸蒸气气的的质量量称称为比比湿湿。单位位一一般般用用kgkg、g g、mgmg表示，有表示，有时也用也用kgkgkgkg、gkggkg、mgkgmgkg表示。表示。5 5饱和度和度 1kg1kg干燥气体中所含水蒸气量干燥气体中所含水蒸气量怀同温度与同温度与1kg1kg气体所能含的气体所能含的饱和和不蒸气量之比不蒸气量之比值叫作叫作饱和度，一般用百分数表示。和度，一般用百分数表示。6 6饱和差和差 气气体体的的水水蒸蒸气气分分压与与同同温温度度下下饱和和水水蒸蒸气气压的的差差，或或者者绝对湿湿度与同温度度与同温度时饱和状和状态的的绝对湿度之差称湿度之差称为饱和差。和差。7 7相相对湿度湿度 气气体体的的水水蒸蒸气气分分压与与同同温温度度下下饱和和水水蒸蒸气气压的的比比值，或或者者其其绝对湿湿度度与与同同温温度度时饱和和状状态的的绝对湿湿度度的的比比值称称为湿湿度度。相相对湿度一般用百分数表示，湿度一般用百分数表示，记作作 “%RH%RH”。8 8露点露点 保持保持压力一定而降低待力一定而降低待测气体温度至某一数气体温度至某一数值时，待，待测气体中气体中的水蒸气达到的水蒸气达到饱和状和状态开始开始结露或露或结霜，此霜，此时的温度称的温度称为这种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、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 烧结型半型半导体陶瓷材料，一般体陶瓷材料，一般为多孔多孔结构的多晶体，而且在其构的多晶体，而且在其形成形成过程中伴随有半程中伴随有半导化化过程。半程。半导体陶瓷多系金属化物材料，体陶瓷多系金属化物材料，其半其半导体体过程常是通程常是通过调整配方，整配方，进行行掺杂，或通，或通过控制控制烧结气氛有意造成氧元素气氛有意造成氧元素过剩或不足而得以剩或不足而得以实现的。半的。半导化化过程的程的结果，使晶粒中果，使晶粒中产生了大量的生了大量的载流子流子电子或空穴。子或空穴。谤样一方一方面使晶粒体内的面使晶粒体内的电阻率降低，另一方面又使晶粒之阻率降低，另一方面又使晶粒之间的界面的界面处形成界面形成界面势垒，致使晶粒界面，致使晶粒界面处的的载流子耗尽而出流子耗尽而出现耗尽耗尽层。因此，晶粒界面的因此，晶粒界面的电阻率将阻率将远大于晶粒体内的大于晶粒体内的电阻率，而成阻率，而成为半半导体陶瓷材料在通体陶瓷材料在通电状状态下下电阻的主要部分，湿敏半阻的主要部分，湿敏半导体陶体陶瓷材料正是由于水分子在其表面和晶粒界面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的吸收所引起的表面和晶粒界面表面和晶粒界面处电阻率的阻率的变化，才具有湿敏特性的。大多数化，才具有湿敏特性的。大多数半半导体陶瓷属于体陶瓷属于负感湿特性的半感湿特性的半导体陶瓷，其阻体随体陶瓷，其阻体随环境（空境（空气）湿度的增加而减小。气）湿度的增加而减小。湿湿敏敏金金属属氧氧化化物物半半导体体陶陶瓷瓷之之所所以以具具有有负感感湿湿特特性性，是是由由于于水水分分子子在在陶陶瓷瓷晶晶粒粒间界界的的吸吸附附，可可离离解解出出大大量量导电的的离离子子，这些些离离子子在在水水吸吸附附层中中就就如如同同电解解质溶溶液液中中的的导电离离子子一一样担担负着着电荷荷的的运运输，也也就就是是说，电荷荷的的载流子是离子。流子是离子。在在完完全全脱脱水水的的金金属属氧氧化化物物半半导体体陶陶瓷瓷晶晶粒粒表表面面上上，裸裸露露着着正正金金属属离离子子和和负氧氧离离子子。水水分分子子电离离后后，离离解解为正正氢离离子子以以和和负氢氧氧根根离离子子，于于是是，在在陶陶瓷瓷晶晶粒粒的的表表面面上上就就形形成成了了负氢氧氧根根离离子子和和正正金金属属离离子子以以及及氢离离子子与与氧氧离离子子之之间的第一的第一层吸附吸附化学吸附。化学吸附。MgCr2O4-TiO2固固体体组组成成的的多多孔孔性性半半导导体体陶陶瓷瓷，是是一一种种较较好的感湿材料。好的感湿材料。半半导体体惚惚2 2湿湿敏敏元元件件的的结构构，如如 图 10-3310-33所所 示示。在在4mm4mm5mm5mm0.3mm0.3mm的的MgCrMgCr2 2O O4 4-TiOTiO2 2陶陶瓷瓷片片的的两两面面，设置置多多孔孔金金电极极，并并用用掺金金玻玻璃璃粉粉引引出出线与与金金电极极烧结在在一一起起。在在半半导体体陶陶瓷瓷片片的的外外面面，安安放放一一个个由由镍丝绕制制而而成成的的加加热清清洗洗圈圈，以以便便对元元件件经常常进行行加加热清清洗洗，排排除除有有害害气气氛氛对元元件件的的污染染。元元件件安安装装在在一一种种高高度度致致密密的的、疏疏水水性性的的陶陶瓷瓷底底片片上上。为消消除除底底座座上上测量量电极极2 2和和3 3之之间同同于于吸吸湿湿和和沾沾污而而引引起起的的漏漏电，在在电极极2 2和和3 3的的四四周周设置置了了金金短短路路环。图10-3310-33中中的的1 1和和4 4为加加热清洗清洗线圈的引出圈的引出线。13.3.4、湿敏传感器的应用 汽汽车驾驶室室挡风玻璃自玻璃自动去去湿装置，如湿装置，如图10-37a10-37a、b b。图10-37a10-37a为风挡玻示意玻示意图，图中中R R8 8为嵌入玻璃的加嵌入玻璃的加热阻阻丝，H H 为结露感湿元件。露感湿元件。图10-37b10-37b为所用的所用的电路。路。TVTV1 1、VTVT2 2接成施密特触接成施密特触发电路，路，VTVT2 2的集的集电极极负载为继电器器K K的的线圈圈绕组。VTVT1 1的基极回路的的基极回路的电阻阻为R R1 1、R R2 2和湿敏元件和湿敏元件H H的的等效等效电阻阻R Rpopo事先事先调整好各整好各电阻阻值，使常温、常湿下，使常温、常湿下VTVT1 1导通，通，VTVT2 2截止（截止（VTVT1 1的集的集电极极-射极射极电压接近于零而使接近于零而使VTVT2 2截截止）。止）。