[信息与通信]第十章气敏湿敏传感器

1、第10章 气敏湿敏传感器 第十章第十章 气湿敏传感器气湿敏传感器 第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 第二节第二节 湿敏传感器湿敏传感器 第10章 气敏湿敏传感器 第一节第一节 气敏传感器气敏传感器 l接触燃烧式气敏元件l金属氧化物半导体气敏元件l氧化锆气敏元件工作原理、主要类型及应用第10章 气敏湿敏传感器 一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器1 1、检测原理、检测原理 可燃性气体可燃性气体(h(h2 2、coco、chch4 4等等) )与空气中的氧接触，发生氧化与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热反应，产生反应热( (无焰接触燃烧热无焰接触燃烧热) )，使得作为敏感材料

2、的铂丝，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高浓度都不太高( (低于低于1010) )，可燃性气体可以完全燃烧，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量其发热量与可燃性气体的浓度有关与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应应( (燃烧燃烧) )产生的反应热量产生的反应热量( (燃烧热燃烧热) )愈多，铂丝的温度变化愈多，铂丝的温度变化( (增高增高) )愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只

3、要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值丝的电阻变化值(r)(r)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 第10章 气敏湿敏传感器 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中f1是检测元件；是检测元

4、件；f2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在f1和和f2上保持上保持100ma200ma的电流通过，以供可燃性气体在检测元件的电流通过，以供可燃性气体在检测元件f1上发生氧化反应上发生氧化反应( (接触燃烧接触燃烧) )所需要的热量。当检测元件所需要的热量。当检测元件f1与可与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用( (燃烧燃烧) )，释放出热量，使，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值

5、相应增大，桥式电路不再平衡，得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在在a、b间产生电位差间产生电位差e。 af2f1mr1r2cbdw2w1e02110211rrrrrrrreeffffffffffrrrrrrrree12212110因为rf很小，且rf1r1=rf2r2 第10章 气敏湿敏传感器 这样，在检测元件f1和补偿元件f2的电阻比rf2/rf1接近于1的范围内，a，b两点间的电位差e，近似地与rf成比例。在此，rf是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即rf可用下式表示 212110ffrrrrre

6、kfffrrrke12cqmchtrf如果令则有检测元件的电阻温度系数；t由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；h可燃性气体接触燃烧的发热量； c检测元件的热容量； q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。第10章 气敏湿敏传感器 ，c和和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。等因素有关。q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则下，都是确定的常数。则cqba、b间的电位差间的电位差e，并由此求得，

7、并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。曲线如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mv丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(xlel)e=kmb即即a、b两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在成比例。如果在a、b两点间连接电流计或电压计，就可以两点间连接电流计或电压计，就可以测得测得第10章 气敏湿敏传

8、感器 2 2、接触燃烧式气敏元件的结构、接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝用高纯的铂丝, ,绕制成线圈绕制成线圈, ,为了使线圈具有适当的为了使线圈具有适当的阻值阻值( (12),),一般应绕一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂涂覆层覆层, ,干燥后在一干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球, ,放在贵放在贵金属铂、钯等的盐溶液中金属铂、钯等的盐溶液中, ,充分浸渍后取出烘干。然后充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理经过高温热处理, ,使在氧化铝使在氧

9、化铝( (氧化铝一氧化硅氧化铝一氧化硅) )载体上载体上形成贵金属触媒层形成贵金属触媒层, ,最后组装成气体敏感元件。除此之最后组装成气体敏感元件。除此之外外, ,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状充分混合后配成膏状, ,涂覆在铂丝绕成的线圈上涂覆在铂丝绕成的线圈上, ,直接烧直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈, ,其尺寸、阻其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且值均应与检测元件相同。并且, ,也应涂覆氧化铝或者氧也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层化硅载体层, ,只是无须浸渍贵金属盐溶

10、液或者混入贵金只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体属触媒粉体, ,形成触媒层而已。形成触媒层而已。 第10章 气敏湿敏传感器 触媒al2o3载体pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图 第10章 气敏湿敏传感器 二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性( (例如电导率例如电导率) )发生变化。目前流行的定性模型是：发生变化。目前流行的定性

11、模型是：原子原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。1 1、半导体气敏元件的特性参数、半导体气敏元件的特性参数 （1 1）气敏元件的电阻值）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件气敏元件(电阻型电阻型)的固有电阻值，表示为的固有电阻值，表示为。一般其。一般其固有电阻值在固有电阻值在(10103 310105 5)范围。范围。测定固有电阻值测定固有电阻值时时, 要求必须在洁净空气环境中进行。要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有

12、的气体成由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。第10章 气敏湿敏传感器 （2）气敏元件的灵敏度）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度感元件的电参量（如电阻型气敏元

13、件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种之间的依从关系。表示方法有三种 （a a）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度k k（b）气体分离度）气体分离度r rc1c1气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为cccc的被测气体中的阻值：的被测气体中的阻值： r r2 2气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为c2c2的被测气体中的阻值。的被测气体中的阻值。通常，通常，c c1 1c c2 2。（c）输出电压比灵敏度）输出电压比灵敏度kvv va a: :气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；v vg g: :气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，

14、负载电阻的电压输出气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出 gavvvk 21ccrrra气敏元件在洁净空气中的电阻值；rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值garrk 第10章 气敏湿敏传感器 （4）气敏元件的响应时间）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63时为止，所需时间称为时为止，所需时间称为气敏元件在

15、此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表表示。示。 agiaggigvvvvvvs （3）气敏元件的分辨率）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率能力。气敏元件分辨率s表示为表示为va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压vgi气敏元件在气敏元件在i种气体浓度

16、为规定值中工作时，负载电阻的电压种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压第10章 气敏湿敏传感器 （5）气敏元件的加热电阻和加热功率）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在气敏元件一般工作在200200以上高温。为气敏元件提以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻供必要工作温度的加热电路的电阻( (指加热器的电阻值指加热器的电阻值) )称为加热电阻，用称为加热电阻，用r rh h表示。直热式的加热电阻值一般小表示。直热式的加热电阻值一般小于于55；旁热式的加热电阻大于；旁热式的加热电阻大于2020。气敏元件正常工。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用作所

17、需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。表示。一般在一般在(0.5(0.52.0)2.0)w范围。范围。 （6）气敏元件的恢复时间）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度被测气体由该元件上解吸的速度,一一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的到在洁净空气中阻值的63时所需时间。时所需时间。第10章 气敏湿敏传感器 （7）初期稳定时间）初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件长期在非工作状态下存放的气敏元件, ,因表面吸附空因表面吸附空气中的水分或者其他气体气中的水分或

18、者其他气体, ,导致其表面状态的变化，在加导致其表面状态的变化，在加上电负荷后上电负荷后, ,随着元件温度的升高随着元件温度的升高, ,发生解吸现象。因此发生解吸现象。因此, ,使气敏元件恢复正常工作状态使气敏元件恢复正常工作状态, ,需要一定的时间需要一定的时间, ,称为气称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件, ,在刚通电在刚通电的瞬间的瞬间, ,其电阻值将下降其电阻值将下降, ,然后再上升然后再上升, ,最后达到稳定。由最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间, ,称为初期称为初期稳定

19、时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长态的函数。存放时间越长, ,其初期稳定时间也越长。在一其初期稳定时间也越长。在一般条件下般条件下, ,气敏元件存放两周以后气敏元件存放两周以后, ,其初期稳定时间即可其初期稳定时间即可达最大值达最大值。 第10章 气敏湿敏传感器 2 2、烧结型、烧结型snosno2 2气敏元件气敏元件sno2系列气敏元件有系列气敏元件有烧结型烧结型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三种。烧结型应用三种。烧结型应用最广泛性。最广泛性。其敏感体用粒径很小其敏感体用粒径很小( (平均粒径平均粒径m) )的的

20、sno2粉体为基本材料粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测测可燃的还原性可燃的还原性气体，其工作温度约气体，其工作温度约300。根据加热方式，分。根据加热方式，分为为直接加热式直接加热式和和旁热式旁热式两种两种。（1）直接加热式）直接加热式sno2气敏元件气敏元件(直热式气敏元件直热式气敏元件)内热式气敏器件结构及符号1234sno2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片由芯片( (敏感体和加热器敏感体和加热器) )，基座，基座和金属防爆网罩三部分组成。因和金属防爆网罩三部分组成。因其热容

21、量小、稳定性差，测量电其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相路与加热电路间易相互干扰，加互干扰，加热器与热器与sno2基体间由于热膨胀系基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。元件的失效，现已很少使用。 第10章 气敏湿敏传感器 （2）旁热式）旁热式sno2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号sno2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布第10章 气敏湿敏传感器 三、氧化锆氧气传感器三、氧化锆氧气传感器

22、 固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。一般认为，固体物质(金属或半导体)中，作为载流子传导电流的是正、负离子。可是，在固体电解质中，作为载流子传导电流的，却主要是离子。二氧化锆（zro2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。 纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量

23、而变化。 第10章 气敏湿敏传感器 在二氧化锆中添加氧化钙、三在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后氧化二钇等添加物后,其离子电其离子电导都将发生改变。尤其是在氧导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为化钙添加量为1515molmol左右时左右时,离离子电导出现极大值。但是，由子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的添加三氧化二钇的zrozro2 2y y2 2o o3 3固固溶体，离子活性较高，在较低溶体，离子活性较高，在较低的温度

24、下，其离子电导都较大，的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都用这种材如图。因此，通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。料制作固定电解质氧敏元件。添加添加y2o3的的zro2固体电解质材固体电解质材料，称为料，称为ysz材料。材料。51015201234yb2o3y2o3cao氧化物添加量/% molzro2中杂质含量与电导关系离子电导lg/-1cm-1第10章 气敏湿敏传感器 zro2系固体电解质的离子电导与温度关系56008001000120010-110-210-310-4123467t /离子电导/-1cm-11 添加8%molyb2o3 ；2 zro0.92 sc2o30.0

25、4 yb2o30.04 3 zro2 ；4 添加10%moly2o3 ；5 添加13%molcao6 添加15%moly2o3 ；7 添加10%molceo第10章 气敏湿敏传感器 四、气体传感器应用四、气体传感器应用 实实用用酒酒精精测测试试仪仪 a101112131415161718139678r32.7 kr43.9 k24r11.8 krp20 k4613 5 vtgs 812255vd10vd6红 色vd5vd1绿 色第10章 气敏湿敏传感器 当气体传感器探测不到酒精时，加在a的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使a的第5脚电平变高。a为显示推动器，它共有

26、10个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示推动器a根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数，酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平。 下面5个发光二极管为绿色，代表安全水平，酒精含量不超过0.05%。 第10章 气敏湿敏传感器 精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。湿度传感器依据使用材料分类：湿度传感器依据使用材料分类：电解质型电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上：以氯化锂

27、为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。而电阻减小。陶瓷型陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极, ,通过浸渍或涂覆通过浸渍或涂覆, ,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种使其在基板上附着一

28、层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多类也很多, ,工作原理也各不相同。工作原理也各不相同。单晶半导体型单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和制成二极管湿敏器件和mosfetmosfet湿度敏感器件等。其特点是易于和湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。半导体电路集成在一起。 第二节第二节 湿敏传感器湿敏传感器 第10章 气敏湿敏传感器 一、湿度表示法一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气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。主要有质量百分比和

29、体积百分比、相是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。 1 1、质量百分比和体积百分比、质量百分比和体积百分比 质量为质量为m的混合气体中，若含水蒸气的质量为的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则，则质量百分比为质量百分比为vv100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。这两种方法统称为水蒸气百分含量法。mm100在体积为在体积为v的混合气体中，若含水蒸气的体积为的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则，则体积百分比为体积百分比为第10章 气敏湿敏传感器 2 2、相对湿度和绝对湿度、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是

30、指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为%100spprhvmvm待测空气中水蒸气质量；待测空气中水蒸气质量

31、；v待测空气的总体积；待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。待测空气的绝对湿度。如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：rtpmp：空气中水蒸气分压；m：水蒸气的摩尔质量r：理想气体常数； t：空气的绝对温度。第10章 气敏湿敏传感器 3 3、露（霜）点、露（霜）点 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，则空气的蒸气压下，温度越低，则

32、空气的水蒸气压水蒸气压与同温度下水的与同温度下水的饱和蒸饱和蒸气压气压差值越小。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水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成向液相转化而凝结成露珠露珠，相对湿度为，相对湿度为100rh。该温度，称为该温度，称为5010203040-1001020304050温度温度/10%rh露点露点/90%rh80%rh70%rh60%rh50%rh40%rh20%rh30%rh空气的空气的露点温度露点温度，简，简称露点。如果这一

33、温称露点。如果这一温度低于度低于0时，水蒸时，水蒸气将结霜气将结霜，又称为又称为霜霜点温度点温度。两者统称为。两者统称为露点。空气中水蒸气露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，压越小，露点越低，因而可用露点表示空因而可用露点表示空气中的湿度。气中的湿度。第10章 气敏湿敏传感器 三、电解质湿度传感器三、电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质固体电解质和和液体电液体电解质解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的离解为自

34、由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。环境相对湿度的函数。 氯化锂湿度传感器的结构ab b 钯丝 a 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型电解质氯化锂湿度传感器最为典型03060900.010.1110r/108相对湿度/% 1.0 % licl 2.2%licl 0.5% licl 0.25% licl pvac氯化锂湿度传感器的阻湿特性组合式氯化锂的阻湿特性030 60 900.010.1110相对湿度/%r/108把不同感湿范围的单

35、片湿把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来度传感器组合起来, ,可制成可制成相对湿度工作量程为相对湿度工作量程为2090rh的湿度传感器的湿度传感器第10章 气敏湿敏传感器 四、陶瓷湿度传感器四、陶瓷湿度传感器 利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150150以下，以下，而高温湿度传感器的工作温度可达而高温湿度传感器的工作温度可达800800，响应时间较，响应时间较短，

36、精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。 典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是mgcr2o4tio2系。此外，还有系。此外，还有tio2-v2o5系、系、znoli2ov2o5系、系、zncr2o4系、系、zro2mgo系、系、fe3o4系、系、ta2o5系系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除fe3o4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，它的度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿

37、度传感器，它的感湿特性量为电容。感湿特性量为电容。 第10章 气敏湿敏传感器 1 1、结构、结构该湿度传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是mgcr2o4-tio2系多孔陶瓷。这种多孔陶系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔瓷的气孔大部分为粒间气孔, ,气孔直径随气孔直径随tio2添加量的增加而增大。添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关粒间气孔与颗粒大小无关, , 相当于一种开口毛细管相当于一种开口毛细管, ,容易吸附水分。容易吸附水分。材料的主晶相是材料的主晶相是mgcr2o4相相, ,此外此外, ,还有还有tio2相相等等, ,感湿体是一个感湿体是一个多晶多相的混合物。多晶多

38、相的混合物。陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件结结构构图图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线第10章 气敏湿敏传感器 2 2、主要特性与性能、主要特性与性能 （1 1）电阻一湿度特性）电阻一湿度特性 mgcr2o4tio2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由呈线性关系。当相对湿度由0变为变为100rh时，阻值从时，阻值从107下降到下降到104，即变化了三个数量级。，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%r/第10章 气敏湿敏传感器 五、高分子湿度传感器五、高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数介电常数明显改变，制成明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻电阻明显变化，明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀