電子功能材料與元器件：第五章 濕度敏感器件

1、LOGO 濕敏元件制備及特性測(cè)試濕敏元件制備及特性測(cè)試 第五章 濕度敏感器件 LOGO （一）感濕膜材料制備（一）感濕膜材料制備 本本實(shí)驗(yàn)所用的感濕材料是國(guó)產(chǎn)的疏水性甲基丙烯酸丁酯實(shí)驗(yàn)所用的感濕材料是國(guó)產(chǎn)的疏水性甲基丙烯酸丁酯 （BuBu），親水性甲基丙烯酰羥乙），親水性甲基丙烯酰羥乙基基- -三三甲基氯化胺（甲基氯化胺（QbQb）以）以 不同的比例進(jìn)行合成反應(yīng)，合成時(shí)用（不同的比例進(jìn)行合成反應(yīng)，合成時(shí)用（BuBu）溶解引發(fā)劑過氧）溶解引發(fā)劑過氧 化苯甲酸（化苯甲酸（BPoBPo）向（）向（BuBu）溶液中加入適量的丙烯酸羥乙酯）溶液中加入適量的丙烯酸羥乙酯 （QcQc）作為交聯(lián)劑。經(jīng)過充分的

2、合成反應(yīng)便可制得所需的高）作為交聯(lián)劑。經(jīng)過充分的合成反應(yīng)便可制得所需的高 分子濕敏材料。分子濕敏材料。 一、濕敏元件的制作一、濕敏元件的制作 LOGO 圖圖 元件制作工藝流程圖元件制作工藝流程圖 二、元件制作二、元件制作 LOGO 二、元件二、元件制作制作 圖圖電阻電阻型濕敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖及濕敏元件實(shí)物圖型濕敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖及濕敏元件實(shí)物圖 LOGO 濕度標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)生裝置的介紹濕度標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)生裝置的介紹 v濕度發(fā)生裝置是指能在一定有限的空間中，濕度發(fā)生裝置是指能在一定有限的空間中， 定量地產(chǎn)生某一濕度的裝置。它是研究與定量地產(chǎn)生某一濕度的裝置。它是研究與 濕度有關(guān)問題時(shí)必須具備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目濕

3、度有關(guān)問題時(shí)必須具備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目 前，濕度發(fā)生裝置有各種各樣，一般都比前，濕度發(fā)生裝置有各種各樣，一般都比 較昂貴。利用飽和鹽法產(chǎn)生濕度源是較為較昂貴。利用飽和鹽法產(chǎn)生濕度源是較為 經(jīng)濟(jì)的手段，只要掌握其使用條件，可以經(jīng)濟(jì)的手段，只要掌握其使用條件，可以 達(dá)到較高的精度。達(dá)到較高的精度。 LOGO 飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度 （國(guó)際建議）（國(guó)際建議） v（1 1）定義）定義 v飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度表是以相對(duì)濕度飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度表是以相對(duì)濕度 固定點(diǎn)的形式用于產(chǎn)生濕度標(biāo)準(zhǔn)的。這些固定點(diǎn)的形式用于產(chǎn)生濕度標(biāo)準(zhǔn)的。這些 相對(duì)濕度固定點(diǎn)代表一定溫度下不同飽和相對(duì)濕度固定點(diǎn)代

4、表一定溫度下不同飽和 鹽溶液的恒濕性。鹽溶液的恒濕性。 v恒濕溶液是指特定鹽的飽和溶液，該飽和恒濕溶液是指特定鹽的飽和溶液，該飽和 溶液在特定的溫度和壓力下，保持三相熱溶液在特定的溫度和壓力下，保持三相熱 力學(xué)平衡。由恒濕溶液復(fù)現(xiàn)的物理量是在力學(xué)平衡。由恒濕溶液復(fù)現(xiàn)的物理量是在 給定的溫度和壓力下的飽和鹽溶液上方空給定的溫度和壓力下的飽和鹽溶液上方空 氣的相對(duì)濕度值。氣的相對(duì)濕度值。 LOGO （2 2）飽和鹽溶液的使用條件）飽和鹽溶液的使用條件 v恒濕溶液在下列標(biāo)準(zhǔn)條件下復(fù)現(xiàn)相對(duì)濕度值：恒濕溶液在下列標(biāo)準(zhǔn)條件下復(fù)現(xiàn)相對(duì)濕度值： v、溶液上方水蒸氣和混合物的總壓接近標(biāo)、溶液上方水蒸氣和混合物的

5、總壓接近標(biāo) 準(zhǔn)大氣壓準(zhǔn)大氣壓101325Pa101325Pa； v、固體、液體（溶液）和氣體（空氣和水、固體、液體（溶液）和氣體（空氣和水 蒸氣混合物）存在熱力學(xué)平衡；蒸氣混合物）存在熱力學(xué)平衡； v、溶液處于適當(dāng)?shù)臏囟认?；、溶液處于適當(dāng)?shù)臏囟认拢?v由于相對(duì)濕度與溫度密切相關(guān)，恒濕溶液對(duì)由于相對(duì)濕度與溫度密切相關(guān)，恒濕溶液對(duì) 溫度穩(wěn)定性有一定的要求。必須提供一些條溫度穩(wěn)定性有一定的要求。必須提供一些條 件避免溫度的驟變，也要避免從一個(gè)工作場(chǎng)件避免溫度的驟變，也要避免從一個(gè)工作場(chǎng) 所到另一個(gè)工作場(chǎng)所的溫差。所到另一個(gè)工作場(chǎng)所的溫差。 LOGO (3)(3)恒濕溶液恒濕溶液 v恒濕溶液是由一組恒

6、濕溶液是由一組1111個(gè)濕度固定點(diǎn)（個(gè)濕度固定點(diǎn)（HFPHFP） 組成的，飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值借助組成的，飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值借助 于于1111種飽和鹽獲得。標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值在溫種飽和鹽獲得。標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值在溫 度度2020以下，其范圍大致從以下，其范圍大致從4%RH4%RH到到98%RH98%RH。 LOGO 表表1. 1. 標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值由以下無機(jī)鹽溶液組成標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值由以下無機(jī)鹽溶液組成 HFP4HFP4氟化銫氟化銫CsFCsF溫度從溫度從1515至至8080 HFP7HFP7溴化鋰溴化鋰LiBrLiBr溫度從溫度從55至至8080 HFP11HFP11氯化鋰氯化鋰LiClLiC

7、l溫度從溫度從55至至8080 HFP23HFP23醋酸鉀醋酸鉀CHCH3 3COOKCOOK溫度從溫度從1010至至3030 HFP33HFP33氯化鎂氯化鎂MgClMgCl2 2溫度從溫度從55至至8080 HFP43HFP43碳酸鉀碳酸鉀 K K2 2COCO3 3溫度從溫度從55至至3030 HFP59HFP59溴化鈉溴化鈉NaBrNaBr溫度從溫度從55至至8080 HFP70HFP70碘化鉀碘化鉀KIKI溫度從溫度從55至至8080 HFP75HFP75氯化鈉氯化鈉NaClNaCl溫度從溫度從55至至8080 HFP85HFP85氯化鉀氯化鉀KClKCl溫度從溫度從55至至8080

8、 HFP98HFP98硫酸鉀硫酸鉀K K2 2SOSO4 4溫度從溫度從55至至5050 HFP：在給定溫度點(diǎn)，飽和鹽溶液上方的相對(duì)濕度值：在給定溫度點(diǎn)，飽和鹽溶液上方的相對(duì)濕度值 LOGO （4 4）復(fù)現(xiàn)飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)）復(fù)現(xiàn)飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn) 相對(duì)濕度值的裝置相對(duì)濕度值的裝置 v恒濕鹽溶液應(yīng)放恒濕鹽溶液應(yīng)放 入密閉的測(cè)量容入密閉的測(cè)量容 器器一個(gè)適合于一個(gè)適合于 容納所檢測(cè)濕度容納所檢測(cè)濕度 計(jì)形狀和容積的計(jì)形狀和容積的 恒濕箱。恒濕箱恒濕箱。恒濕箱 應(yīng)由耐腐蝕的非應(yīng)由耐腐蝕的非 親水性材料做成，親水性材料做成， 它應(yīng)該具有易于它應(yīng)該具有易于 清潔的簡(jiǎn)單形狀。清潔的簡(jiǎn)單形狀。瓶裝飽和鹽溶液實(shí)物圖

9、瓶裝飽和鹽溶液實(shí)物圖 LOGO ZL5ZL5型型LCRZLCRZ測(cè)試儀的基本使用方法測(cè)試儀的基本使用方法 v智能智能LCRLCR測(cè)量?jī)x（以下簡(jiǎn)稱電橋）是采用微測(cè)量?jī)x（以下簡(jiǎn)稱電橋）是采用微 機(jī)控制的電感、電容和電阻自動(dòng)測(cè)量、偏機(jī)控制的電感、電容和電阻自動(dòng)測(cè)量、偏 差比較和阻抗測(cè)量?jī)x。差比較和阻抗測(cè)量?jī)x。 圖圖1. 顯示器外觀顯示器外觀 圖圖2. 操作面版操作面版 LOGO v 高分子電阻型濕敏元件在不同高分子電阻型濕敏元件在不同 相對(duì)濕度下阻抗隨頻率的變化相對(duì)濕度下阻抗隨頻率的變化 曲線曲線 頻率特性頻率特性 高分子電阻型濕敏元件在不同頻率下高分子電阻型濕敏元件在不同頻率下 阻抗隨相對(duì)濕度的變

10、化曲線阻抗隨相對(duì)濕度的變化曲線 LOGO 濕滯特性濕滯特性 高分子電阻型濕敏元件的濕滯特性曲線高分子電阻型濕敏元件的濕滯特性曲線 LOGO 電壓特性電壓特性 高分子電阻型濕敏元件的電壓特性曲線高分子電阻型濕敏元件的電壓特性曲線 LOGO 高分子電阻型濕敏元件在不 同頻率下容抗隨相對(duì)濕度的 變化曲線 高分子電阻型濕敏元件在 不同相對(duì)濕度下容抗隨頻 率的變化曲線 容抗特性 LOGO 響應(yīng)曲線響應(yīng)曲線 LOGO LOGO v濕敏電阻并不是一個(gè)理想的純電阻，它既濕敏電阻并不是一個(gè)理想的純電阻，它既 含有電阻部分又含有電容部分，而且常常含有電阻部分又含有電容部分，而且常常 是兩個(gè)部分同時(shí)起作用。采用是兩

11、個(gè)部分同時(shí)起作用。采用“復(fù)阻抗復(fù)阻抗” 這個(gè)物理量來表示元件特性在不同的濕度這個(gè)物理量來表示元件特性在不同的濕度 環(huán)境中的變化。環(huán)境中的變化。 v“復(fù)阻抗復(fù)阻抗”包含電阻、電容、電感三部分，包含電阻、電容、電感三部分， 與測(cè)試頻率有關(guān)與測(cè)試頻率有關(guān) 濕敏機(jī)理的分析濕敏機(jī)理的分析 LOGO v電阻代表一種導(dǎo)電的載流子，而電容代表電阻代表一種導(dǎo)電的載流子，而電容代表 一種極化的過程。一種極化的過程。元件處于不同的濕度條元件處于不同的濕度條 件下，具有不同的導(dǎo)電類型，件下，具有不同的導(dǎo)電類型，也就是載流也就是載流 子的子的類型不同類型不同。在低濕環(huán)境中導(dǎo)電粒子以。在低濕環(huán)境中導(dǎo)電粒子以 電子導(dǎo)電為主。隨著濕度的進(jìn)一步增加，電子導(dǎo)電為主。隨著濕度的進(jìn)一步增加， 電離的程度也增強(qiáng)，高濕區(qū)，吸附的水分電離的程度也增強(qiáng)，高濕區(qū)，吸附的水分 子已經(jīng)達(dá)到飽和，這時(shí)的電離程度最大，子已經(jīng)達(dá)到飽和，這時(shí)的電離程度最大， 電子對(duì)復(fù)阻抗的貢獻(xiàn)已經(jīng)體現(xiàn)不出來了，電子對(duì)復(fù)阻抗的貢獻(xiàn)已經(jīng)體現(xiàn)不出來了， 電離起主要作用。電離起主要作用。 濕敏機(jī)理的分析濕敏機(jī)理的分析 LOGO v高分子的濕敏元件的導(dǎo)電粒子在不同的濕高分子的濕敏元件的導(dǎo)電粒子在不同的濕 度環(huán)境下，有所不同。在低濕段，主要以度環(huán)境下，有所不同。在低濕段，主要以 電子導(dǎo)電為主（電子導(dǎo)電為主（e e）；而在中濕段，離子）；而