第13章 濕度傳感器

傳感器原理與應(yīng)用第13章

濕度傳感器第13章

濕度傳感器霍尼韋爾生產(chǎn)HIH3600系列濕度傳感器第13章

濕度傳感器日本神榮相對(duì)濕度傳感器第13章

濕度傳感器濕敏電容濕敏電阻第13章

濕度傳感器

濕敏模塊濕敏傳感器第13章

濕度傳感器芬蘭生產(chǎn)的露點(diǎn)儀第13章

濕度傳感器超高精度濕度傳感器第13章

濕度傳感器土壤水分濕度傳感器第13章

濕度傳感器第13章

濕度傳感器13.1

概

述13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.3

氯化鋰濕度傳感器13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.5

多孔硅濕敏元件13.6

高分子濕度傳感器13.7

測(cè)量電路13.8

濕敏傳感器的應(yīng)用13.1

概

述

人們對(duì)濕度測(cè)量與控制之重要性的認(rèn)識(shí)，與溫度相比要晚得多。17世紀(jì)才制成了毛發(fā)濕度計(jì)，18世紀(jì)制成了干濕球濕度計(jì)。13.1

概

述

它們的主要缺點(diǎn)是靈敏度和分辨率都不夠高，而且輸出是非電信號(hào)，難以同電子電路或自動(dòng)控制系統(tǒng)及儀器相連接。直到1938年才研制出輸出電信號(hào)的LiCl電解質(zhì)濕度傳感器。13.1.1

濕度的表示方法13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法13.1

概

述13.1.1

濕度的表示方法

大氣中含有水分的多少直接影響大氣的干、濕程度。在物理學(xué)和氣象學(xué)中，對(duì)大氣(空氣)濕度的表征通常使用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露(霜)點(diǎn)濕度。

1.絕對(duì)濕度表示在一定溫度和壓力條件下，單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為：13.1.1

濕度的表示方法

式中，mv為待測(cè)混合氣體中的水蒸氣質(zhì)量；V為待測(cè)混合氣體的總體積；rv為待測(cè)混合氣體的絕對(duì)濕度，其單位為g/m3。以AH表示絕對(duì)濕度。13.1.1

濕度的表示方法

2.相對(duì)濕度

相對(duì)濕度為待測(cè)空氣的水蒸氣分壓p與相同溫度下飽和水蒸氣壓pW的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。這是一個(gè)無(wú)量綱量，常表示為%RH(RH為相對(duì)濕度的縮寫(xiě))，亦即：13.1.1

濕度的表示方法

絕對(duì)濕度—相對(duì)濕度—溫度的關(guān)系如圖所示。13.1.1

濕度的表示方法

3.露點(diǎn)濕度

保持壓力一定而降溫，使混合氣體中的水蒸氣達(dá)到飽和而開(kāi)始結(jié)露時(shí)的溫度稱(chēng)為露點(diǎn)(℃)。

只要能測(cè)出露點(diǎn)，就可以通過(guò)一些數(shù)據(jù)表查得絕對(duì)濕度。溫度—相對(duì)濕度—露點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示。用這種方法測(cè)得的相對(duì)濕度稱(chēng)為露點(diǎn)濕度。13.1

概

述13.1.1

濕度的表示方法13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法√13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法飽和鹽水溶液法又稱(chēng)濕度固定點(diǎn)法，屬于靜態(tài)標(biāo)定法。雖然相對(duì)準(zhǔn)確度較低，并且只能提供固定的濕度點(diǎn)，卻具有簡(jiǎn)易和價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。方法：將飽和鹽水溶液置于封閉的容器中，根據(jù)拉烏爾定律和亨利定律，在定溫和平衡的條件下，溶液的組分固定，則水蒸氣分壓為常量，可使飽和鹽水溶液上方的空間保持恒定的相對(duì)濕度。改變?nèi)芤旱慕M分可獲得不同的平衡水蒸氣分壓，即可得到不同的相對(duì)濕度。13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法

在選擇飽和鹽水溶液時(shí)，應(yīng)使其對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度有合適的間隔。在配制飽和鹽水溶液時(shí)一定要用純凈水(如蒸餾水或去離子水)以及較純凈的鹽，并保持水溶液與其上方的氣溫一致。各種飽和鹽水溶液對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度值一般采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1976年提供的數(shù)據(jù)。13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法下表是幾種飽和鹽水溶液平衡時(shí)的相對(duì)濕度值。13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法如圖所示是飽和鹽水溶液濕度發(fā)生裝置。13.1

概

述13.1.1

濕度的表示方法13.1.2

標(biāo)定濕度傳感器的飽和鹽水溶液法√√第13章

濕度傳感器√13.1

概

述13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.3

氯化鋰濕度傳感器13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.5

多孔硅濕敏元件13.6

高分子濕度傳感器13.7

測(cè)量電路13.8

濕敏傳感器的應(yīng)用13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)

濕度傳感器可分為水分子親合力型和非水分子親合力型兩類(lèi)。水分子有較大的偶極矩故易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。水分子的這種吸附和滲透特性稱(chēng)為水分子的親合力。利用水分子這一特性制作的濕度傳感器稱(chēng)為水分子親合力型傳感器。反之，與水分子親合力無(wú)關(guān)的稱(chēng)為非水分子親合力型傳感器。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)濕度傳感器分類(lèi)如圖所示。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)若按照材料分類(lèi)，又可分為陶瓷濕度傳感器、有機(jī)高分子濕度傳感器、半導(dǎo)體濕度傳感器、電解質(zhì)濕度傳感器等，如表13.2所示。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)

熱敏電阻式濕度傳感器如圖所示，圖(a)是測(cè)量電路，圖(b)是傳感器結(jié)構(gòu)。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)微波式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)及特性如圖所示。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)石英振子式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)及特性如圖所示。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)濕敏二極管及其感濕特性曲線(xiàn)如圖所示。13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)濕敏MOS晶體管如圖所示。13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)√13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

1.濕度量程

能保證一個(gè)濕敏器件正常工作的環(huán)境濕度最大變化范圍稱(chēng)為濕度量程，用相對(duì)濕度表示。

由于不同的濕度傳感器所使用的功能材料不同，以及工作時(shí)所依據(jù)的物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的不同，致使?jié)穸葌鞲衅鞯牧砍滩煌?3.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

2.感濕特征量—相對(duì)濕度特性曲線(xiàn)

每種濕度傳感器都有其感濕特征量，例如電阻、電容、電壓、頻率等。在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，濕度傳感器的感濕特征量隨環(huán)境相對(duì)濕度變化的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為相對(duì)濕度特性曲線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)感濕特性曲線(xiàn)。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

有的濕度傳感器的感濕特征量隨濕度的增加而增大，這稱(chēng)為正特性濕敏傳感器；有的感濕特征量隨濕度的增加而減小，稱(chēng)為負(fù)特性濕敏傳感器。某種濕度傳感器的感濕特性曲線(xiàn)如圖所示。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

3.感濕靈敏度

在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1%RH時(shí)，濕度傳感器感濕特征量的變化值或變化的百分率稱(chēng)為感濕靈敏度，簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏度，又稱(chēng)為濕度系數(shù)。由于濕度傳感器的感濕特性曲線(xiàn)一般是非線(xiàn)性的，這樣表示靈敏度存在困難。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

目前，關(guān)于濕度傳感器靈敏度的表示方法尚未得到統(tǒng)一，較為普遍采用的方法是，用不同相對(duì)濕度下感濕特征量之比來(lái)表示靈敏度。例如，日本生產(chǎn)的MgCr2O4-TiO2濕度傳感器的靈敏度用R1%與R20%，R40%，R60%，R80%及R100%的比值表示。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

4.溫度系數(shù)

溫度系數(shù)是反映濕度傳感器感濕特征量—相對(duì)濕度特性曲線(xiàn)隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。顯然越小越好。溫度系數(shù)分為特征量溫度系數(shù)和感濕溫度系數(shù)。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

在環(huán)境濕度保持恒定的情況下，濕度傳感器特征量的相對(duì)變化量與對(duì)應(yīng)的溫度變化量之比，稱(chēng)為特征量溫度系數(shù)。如感濕特征量是電阻，則電阻溫度系數(shù)為：式中，DT為兩個(gè)規(guī)定溫度之差；R2和R1為這兩個(gè)規(guī)定溫度下濕度傳感器的阻值。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

感濕溫度系數(shù)定義為：在環(huán)境濕度保持恒定的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)所引起的濕度誤差。即：

式中，DT為環(huán)境溫度與規(guī)定溫度之差；H2、H1分別為環(huán)境溫度下和規(guī)定溫度下濕度傳感器的感濕特征量所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

5.響應(yīng)時(shí)間

在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器感濕特征量之值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63%(也有規(guī)定90%的)所需要的時(shí)間稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間，也稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

6.濕滯回線(xiàn)和濕滯回差

濕度傳感器在吸濕和脫濕往返變化時(shí)的吸濕和脫濕特性曲線(xiàn)不重合，所構(gòu)成的曲線(xiàn)叫濕滯回線(xiàn)。由于吸濕和脫濕特性曲線(xiàn)不重合，對(duì)應(yīng)同一感濕特征量的相對(duì)濕度之差稱(chēng)為濕滯量。濕滯量的最大值稱(chēng)為濕滯回差。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

7.電壓特性

測(cè)量濕度時(shí)，加直流測(cè)試電壓將引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，故測(cè)試電壓應(yīng)采用交流電壓。濕度傳感器感濕特征量之值與外加交流電壓之間的關(guān)系稱(chēng)為電壓特性。當(dāng)交流電壓較大時(shí)，由于產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)濕度傳感器的特性會(huì)帶來(lái)較大影響。13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)

8.電源頻率特性

濕度傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓的頻率有關(guān)。在各種濕度下，當(dāng)測(cè)試頻率小于一定值時(shí)，阻值不隨測(cè)試頻率而變化，該頻率被確定為濕度傳感器的使用頻率上限。當(dāng)然，為防止水分子的電解，測(cè)試電壓頻率也不能太低。其他還有工作溫度范圍、穩(wěn)定性、壽命等。13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.2.1

濕度傳感器的分類(lèi)13.2.2

濕度傳感器的特性參數(shù)√√第13章

濕度傳感器√√13.1

概

述13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.3

氯化鋰濕度傳感器13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.5

多孔硅濕敏元件13.6

高分子濕度傳感器13.7

測(cè)量電路13.8

濕敏傳感器的應(yīng)用13.3

氯化鋰濕度傳感器

氯化鋰濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是滯后小,不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度可達(dá)±5%，但其耐熱性差，不能用于露點(diǎn)下測(cè)量，元件性能的重復(fù)性不理想，使用壽命短。13.3

氯化鋰濕度傳感器13.3.1氯化鋰濕敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)13.3.2

氯化鋰濕敏電阻的感濕特性13.3.1

氯化鋰濕敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.工作原理

氯化鋰是一種電解質(zhì)，由于極性水分子的作用，氯化鋰可離解出能夠自由移動(dòng)的Li＋、Cl－離子。離子的多少?zèng)Q定了其電導(dǎo)率的大小。而離子的多少又取決于給定溫度下環(huán)境的相對(duì)濕度。因此，通過(guò)測(cè)量電阻即可確定環(huán)境的相對(duì)濕度。13.3.1

氯化鋰濕敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)

2.傳感器的結(jié)構(gòu)

氯化鋰濕敏電阻元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。

用圓筒形支架作為基體，表面先浸涂一層聚苯乙烯憎水層，然后在聚苯乙烯薄膜上并行地繞鈀絲電極，再把堿化后的聚乙烯醋酸脂和氯化鋰水溶液(0.5～1.0%)的混合液均勻地涂在圓筒表面。當(dāng)被涂溶液的溶劑揮發(fā)干后，即凝聚成一層阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度變化的感濕薄膜。13.3.1

氯化鋰濕敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)

浸漬式LiCl濕度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。13.3

氯化鋰濕度傳感器13.3.1氯化鋰濕敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)13.3.2

氯化鋰濕敏電阻的感濕特性√13.3.2

氯化鋰濕敏電阻的感濕特性

氯化鋰在固態(tài)下導(dǎo)電能力很差，但在氯化鋰水溶液中，Li＋和Cl－以游離離子的形式存在，導(dǎo)電能力很強(qiáng)。氯化鋰中的Li＋對(duì)水蒸氣有很強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)傳感器置于濕度場(chǎng)中時(shí)，若環(huán)境相對(duì)濕度高，氯化鋰將吸收水分，使游離的Li＋和Cl－的數(shù)量增加，電阻率降低。反之，電阻率上升。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。13.3.2

氯化鋰濕敏電阻的感濕特性

氯化鋰濕敏電阻具有負(fù)感濕特性，濕度—電阻特性曲線(xiàn)如圖所示。由圖可知，若采用單片濕度傳感器，其測(cè)量范圍一般只有30%RH左右。13.3.2

氯化鋰濕敏電阻的感濕特性

為擴(kuò)大測(cè)量范圍，可將多個(gè)氯化鋰含量不同的元件組合使用，如將測(cè)量范圍分別為10～20、20～40、40～70、70～90和80～99%RH的五種元件配合使用，就可實(shí)現(xiàn)10～99%RH的濕度測(cè)量范圍，如圖所示。13.3

氯化鋰濕度傳感器13.3.1氯化鋰濕敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)13.3.2

氯化鋰濕敏電阻的感濕特性√√第13章

濕度傳感器√√√13.1

概

述13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.3

氯化鋰濕度傳感器13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.5

多孔硅濕敏元件13.6

高分子濕度傳感器13.7

測(cè)量電路13.8

濕敏傳感器的應(yīng)用13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.4.1

濕敏器件13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻13.4.1

濕敏器件

1.元素半導(dǎo)體濕敏器件

在絕緣體表面上通過(guò)蒸發(fā)等工藝，制備一層具有吸濕性的元素半導(dǎo)體薄膜，可形成濕敏電阻器。通常利用Ge和Se等元素半導(dǎo)體的蒸發(fā)膜制備濕敏器件。鍺適用于高濕度的測(cè)量，特點(diǎn)是不受環(huán)境中灰塵等的影響，能得到比較精確的測(cè)量結(jié)果。然而在制備器件時(shí)，鍺蒸發(fā)膜的老化需要較長(zhǎng)時(shí)間，并且器件的重復(fù)性差。13.4.1

濕敏器件

利用金屬硒蒸發(fā)膜或無(wú)定型硒蒸發(fā)膜都可以做濕敏器件。就濕度特性來(lái)說(shuō)，后者比前者要好些，但就穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，卻要差些。一般來(lái)說(shuō)，硒蒸發(fā)膜濕敏器件的電阻值比鍺的低，濕度范圍較大，但也需要較長(zhǎng)時(shí)間的老化。13.4.1

濕敏器件

在絕緣瓷管表面上鍍一層鉑膜，然后以細(xì)螺距將鉑膜刻成寬約0.1cm的螺旋狀，作為兩個(gè)電極，在兩電電極之間蒸發(fā)硒膜，制成硒蒸發(fā)膜濕度傳感器。其電阻—濕度特性如圖所示。13.4.1

濕敏器件

2.金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件

由于金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料具有較好的熱穩(wěn)定性及抗玷污等特點(diǎn)而逐漸被重視。半導(dǎo)體陶瓷的使用壽命長(zhǎng)，可在很惡劣的環(huán)境下使用幾萬(wàn)小時(shí)，這是其他濕敏器件無(wú)法比擬的。半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件可檢測(cè)1%RH這樣的低濕狀態(tài)，而且還具有響應(yīng)快、精度高、使用溫度范圍寬、濕滯現(xiàn)象小和可以加熱清洗等優(yōu)點(diǎn)。13.4.1

濕敏器件

金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件按制備方法可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是把金屬氧化物微粒經(jīng)過(guò)粘結(jié)而堆積在一起的膠體，通常將這種未經(jīng)燒結(jié)的微粒堆積體稱(chēng)為陶瓷，用這種陶瓷材料制成的濕敏器件，一般稱(chēng)為涂覆膜型濕敏器件。另一類(lèi)陶瓷材料是經(jīng)過(guò)研磨、成型和按一般制陶方法燒結(jié)而成，稱(chēng)為燒結(jié)型濕敏器件。13.4.1

濕敏器件

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。

若材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱(chēng)為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，若材料的電阻率隨濕度增大而增大，稱(chēng)為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷(為敘述方便，有時(shí)將半導(dǎo)體陶瓷簡(jiǎn)稱(chēng)為半導(dǎo)瓷)。13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.4.1

濕敏器件13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻√13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

關(guān)于半導(dǎo)瓷材料的導(dǎo)電機(jī)理有多種理論，目前看法尚不一致。一般認(rèn)為，作為濕敏材料的多晶陶瓷，由于晶粒間界的結(jié)構(gòu)不夠致密與缺乏規(guī)律性，不僅載流子濃度遠(yuǎn)比晶粒內(nèi)部小，而且載流子遷移率也要低得多。所以，晶粒間界電阻要比體內(nèi)高得多，因而晶粒間界便成了半導(dǎo)瓷中傳導(dǎo)電流的主要障礙。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面附著時(shí)，就可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子。如果該半導(dǎo)瓷是P型的，則由于水分子的吸附使表面的空穴增加，電阻下降，這類(lèi)材料就具有負(fù)感濕特性。它的阻值隨著濕度的增加可下降3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

對(duì)于N型半導(dǎo)瓷，水分子的附著不僅能夠使表面層的電子耗盡，還能在表面層產(chǎn)生大量的空穴，以致出現(xiàn)所謂的表面反型層。這些空穴稱(chēng)為反型載流子，它們同樣可以在表面遷移而對(duì)電導(dǎo)作出貢獻(xiàn)。這就說(shuō)明了水分子的附著同樣可使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

由此得出結(jié)淪，不論是N型還是P型半導(dǎo)瓷，只要表面易于被水分子附著，則其電阻率都將隨濕度的增加而下降。

已知一系列的金屬氧化物，特別是過(guò)渡金屬氧化物及其鹽類(lèi)，都具有明顯的濕敏特性，例如ZnO、CuO、Fe2O3、TiO5、V2O5、ZnCr2O5等。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理幾種負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的特性曲線(xiàn)如圖所示。1—ZnO-LiO2-V2O5系列；2—Si-Na2O-V2O5系列；3—TiO2-MgO-Cr2O3系列13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

對(duì)正特性濕敏半導(dǎo)瓷，可以這樣簡(jiǎn)單地來(lái)理解：當(dāng)水分子附著在表面時(shí)，造成表面層電子濃度下降，但不足以出現(xiàn)反型層，此時(shí)仍以電子導(dǎo)電為主，于是表面電阻將因電子濃度的下降而增大。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔型的，表面電阻占的比例很大，盡管存在晶粒內(nèi)部低阻支路的短路作用，表面層電阻的增大必將引起總電阻的增大。但是，總電阻的增大沒(méi)有負(fù)特性材料中阻值的下降那么明顯。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

比較圖13.4和圖13.5可見(jiàn)，當(dāng)濕度在(0～100)％RH范圍內(nèi)時(shí)，負(fù)特性材料的阻值下降三個(gè)數(shù)量級(jí)，而正特性材料阻值只增大一倍。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理

涂覆膜型濕敏元件的阻值隨濕度變化非常劇烈，這是由其結(jié)構(gòu)造成的。由于粉粒之間通常是很松散的，相互之間有極大的接觸電阻，在總電阻中起主導(dǎo)作用。這種松散結(jié)構(gòu)使其粉粒之間具有很大的“準(zhǔn)自由”表面。這些表面非常有利于水分子附著，特別是粉粒與粉粒之間接觸處的附著將使其接觸程度強(qiáng)化，使接觸電阻顯著降低。13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理對(duì)于涂覆膜型濕敏元件，接觸電阻在濕敏元件中起主導(dǎo)作用，不論是用哪種原料，只要其結(jié)構(gòu)是屬于粉粒堆集型的，其阻值都將隨著環(huán)境濕度的增高而顯著下降。例如，涂覆膜型Fe3O4濕敏電阻具有負(fù)特性，而燒結(jié)型Fe3O4濕敏電阻卻具有正特性。13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.4.1

濕敏器件13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻√√13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

1.燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

目前，從各國(guó)濕度傳感器產(chǎn)量可以看出，約有50%以上是燒結(jié)型的，而厚膜和薄膜各占15%到20%。燒結(jié)型陶瓷濕度傳感器品種繁多，其性能也各不相同。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

多孔質(zhì)燒結(jié)型陶瓷MgCr2O4-TiO2濕敏器件的結(jié)構(gòu)如圖所示。為避免底座上測(cè)量電極2、3之間因吸濕和污染而引起的漏電，在其周?chē)O(shè)置了隔離環(huán)。加熱器引出線(xiàn)13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

電極材料選用RuO2，這是因?yàn)镽uO2電極具有多孔性，允許水分子通過(guò)電極到達(dá)陶瓷表面，同時(shí)RuO2的熱膨脹系數(shù)與陶瓷體一致，附著力也比較好。另外，RuO2化學(xué)性能穩(wěn)定。電極的制作方法是將RuO2漿料用絲網(wǎng)印刷方法印刷在陶瓷體的兩個(gè)表面上，在800℃下燒結(jié)15分鐘，然后焊接出Pt-Ir引線(xiàn)。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

濕度傳感器裸露在大氣中工作，在使用過(guò)程中不可避免地要吸附一部分油污和有害氣體，這會(huì)使傳感器的靈敏度大大下降，甚至失效。為使傳感器再生復(fù)原以便重復(fù)使用，在陶瓷感濕體的周?chē)O(shè)置一個(gè)加熱器。加熱溫度為450℃，加熱時(shí)間為1分鐘。為保證傳感器的測(cè)量精度，需要對(duì)濕度傳感器定時(shí)進(jìn)行加熱清洗。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻(1)感濕特性

MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性如圖所示。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻(2)感濕溫度系數(shù)

圖示為電阻—溫度特性。各條曲線(xiàn)的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，為－0.38%RH/℃。如果要精確測(cè)量濕度，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻(3)響應(yīng)時(shí)間特性

如圖所示，響應(yīng)時(shí)間小于10s。(4)穩(wěn)定性

制成的MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器需經(jīng)過(guò)高溫高負(fù)荷實(shí)驗(yàn)、常溫常濕實(shí)驗(yàn)、油氣循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以保證其穩(wěn)定性。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻(5)濕—?dú)舛喙δ軝z測(cè)

某些氧化或還原性氣體在高溫下也可在陶瓷晶粒表面上產(chǎn)生化學(xué)吸附，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化，所以在工作溫度高時(shí)也可用來(lái)檢測(cè)氣體。圖示為MgCr2O4-TiO2系陶瓷的高溫氣敏特性。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

2.涂覆膜型Fe3O4濕敏器件

涂覆膜型濕敏器件有許多種類(lèi)。其特點(diǎn)是物理、化學(xué)特性比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)、工藝簡(jiǎn)單，測(cè)濕量程寬，重復(fù)性和一致性較好，壽命長(zhǎng)，成本低等。材料有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO、Fe3O4和Al2O3等。比較典型且性能較好的是Fe3O4濕敏器件。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

把氯化鐵和氯化亞鐵按2:1的比例加水混合成溶液，然后加進(jìn)NaOH，這時(shí)就沉淀出黑色的Fe3O4。用純水洗去雜質(zhì)，可做成高質(zhì)量的Fe3O4膠體。

用滑石瓷作基片，在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印制成梳狀金電極。將純凈的Fe3O4膠粒用水調(diào)成適當(dāng)粘度的漿料，然后涂覆在印制了金電極的基片上，經(jīng)低溫烘干后，引出電極即可使用。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

由器件的工作機(jī)理可知，這是一種體效應(yīng)器件。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，水分子要在數(shù)十微米厚的感濕膜內(nèi)充分?jǐn)U散，才能與環(huán)境濕度達(dá)到平衡。這一擴(kuò)散及平衡過(guò)程需要的時(shí)間較長(zhǎng)，使器件響應(yīng)緩慢。由于吸濕和脫濕過(guò)程響應(yīng)速度的差別，使器件具有較明顯的濕滯效應(yīng)，這也是此類(lèi)器件的缺點(diǎn)。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻Fe3O4濕敏器件如圖所示。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

3.ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件

其結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線(xiàn)，然后將敏感元件裝在有網(wǎng)眼過(guò)濾的方形塑料盒中并用樹(shù)脂固定。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻

ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，而無(wú)需加熱除污裝置，功耗低于0.5W，體積小，成本低，是一種常用的測(cè)濕傳感器。其感濕特性如圖所示。13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻這種濕度傳感器的響應(yīng)特性如圖所示。13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.4.1

濕敏器件13.4.2

半導(dǎo)瓷濕敏材料的導(dǎo)電機(jī)理13.4.3

幾種典型半導(dǎo)瓷濕敏電阻√√√第13章

濕度傳感器√√√√13.1

概

述13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.3

氯化鋰濕度傳感器13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.5

多孔硅濕敏元件13.6

高分子濕度傳感器13.7

測(cè)量電路13.8

濕敏傳感器的應(yīng)用√13.6

高分子濕度傳感器用有機(jī)高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用它的吸濕性和脹縮性。利用某些高分子電介質(zhì)吸濕后介電常數(shù)發(fā)生變化的特征可制成電容式濕度傳感器；利用某些高分子電解質(zhì)吸濕后電阻變化的特征可制成電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子樹(shù)脂和導(dǎo)電粒子吸濕后的開(kāi)關(guān)特性可制成結(jié)露傳感器。13.6

高分子濕度傳感器13.6.1電容式高分子濕度傳感器13.6.2電阻式高分子濕度傳感器13.6.3結(jié)露傳感器13.6.1

電容式高分子濕度傳感器

高分子電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。在刷有梳狀金電極(下電極)的玻璃基片上涂上醋酸纖維素(或酰胺纖維素或硝化纖維素)感濕膜，再在感濕膜上蒸鍍一層多孔金薄膜(上電極)，即構(gòu)成一平板電容器。13.6.1

電容式高分子濕度傳感器

如圖所示，電容式高分子濕度傳感器的電容隨環(huán)境濕度增加而增加。其輸出特性的線(xiàn)性度與電源頻率有關(guān)。當(dāng)電源頻率為1.5MHz左右時(shí)，線(xiàn)性度較好。13.6.1

電容式高分子濕度傳感器

電容式高分子濕度傳感器的特點(diǎn)是：吸濕響應(yīng)時(shí)間短，一般小于5s；感濕特性受溫度的影響小，5～50℃范圍內(nèi)，電容溫度系數(shù)一般為0.06%RH/℃。

13.6

高分子濕度傳感器13.6.1電容式高分子濕度傳感器13.6.2電阻式高分子濕度傳感器13.6.3結(jié)露傳感器√13.6.2

電阻式高分子濕度傳感器

電阻式濕敏高分子材料很多，常見(jiàn)的是高分子電解質(zhì)—聚苯乙烯磺酸鋰，傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。13.6.2

電阻式高分子濕度傳感器先用具有一定機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能的憎水性高分子聚合物聚苯乙烯制成基片，然后將基片浸入濃硫酸中，在硫酸銀催化劑的作用下進(jìn)行磺化。之后用去離子水沖洗并烘干，即在聚苯乙烯表面上制備了一層親水性的磺化聚苯乙烯。13.6.2電阻式高分子濕度傳感器將磺化聚苯乙烯基片放入氯化鋰飽和溶液中進(jìn)行離子交換，把吸濕性很強(qiáng)的鋰離子交換到磺化聚苯乙烯上去，就得到一種感濕性很強(qiáng)的聚苯乙烯磺酸鋰感濕膜。然后在感濕膜上印刷梳狀電極，即制成了高分子聚苯乙烯磺酸鋰濕敏電阻傳感器。13.6.2

電阻式高分子濕度傳感器

聚苯乙烯磺酸鋰是一種強(qiáng)電解質(zhì)。由于極強(qiáng)的吸水性，吸水后電離，在其水溶液里含有大量的鋰離子。吸濕量不同，其阻值也不同。根據(jù)阻值變化可以測(cè)量相對(duì)濕度。13.6.2

電阻式高分子濕度傳感器

傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性如圖所示。13.6

高分子濕度傳感器13.6.1電容式高分子濕度傳感器13.6.2電阻式高分子濕度傳感器13.6.3結(jié)露傳感器√√13.6.3

結(jié)露傳感器

汽車(chē)玻璃窗、建材、各種精密機(jī)器及錄像機(jī)磁頭等存在結(jié)露現(xiàn)象，需要用結(jié)露傳感器進(jìn)行自動(dòng)控制。最初采用在乙基纖維素內(nèi)添加碳粉的方法制造結(jié)露傳感器，由于材料的熱及化學(xué)穩(wěn)定性差，長(zhǎng)期穩(wěn)定性及一致性不能得到較好的解決。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了穩(wěn)定性、耐熱性好的有機(jī)高分子材料結(jié)露傳感器。13.6.3

結(jié)露傳感器

樹(shù)脂分散型結(jié)露傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，感濕薄膜由吸濕性樹(shù)脂和碳粉組成。吸濕性樹(shù)脂是一種新開(kāi)發(fā)的親水性丙烯酸系聚合物。其特征是不溶于水，在100℃下長(zhǎng)期放置性能穩(wěn)定，且脫濕的速度快、濕滯誤差小。13.6.3

結(jié)露傳感器

結(jié)露傳感器利用的是摻入碳粉的高分子材料在高濕下膨脹，引起其中所含碳粉間距的變化而產(chǎn)生電阻突變的開(kāi)關(guān)特性。

HDP07結(jié)露傳感器如圖所示。其特點(diǎn)為：①高濕環(huán)境下具有極高敏感性；②具有開(kāi)關(guān)功能；③響應(yīng)速度快；④抗污染能力強(qiáng)；⑤可靠性高、穩(wěn)定性好。13.6

高分子濕度傳感器13.6.1電容式高分子濕度傳感器13.6.2電阻式高分子濕度傳感器13.6.3結(jié)露傳感器√√√第13章

濕度傳感器√√√√√√13.1

概

述13.2

濕度傳感器的分類(lèi)與特性參數(shù)13.3

氯化鋰濕度傳感器13.4

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻13.5

多孔硅濕敏元件13.6

高分子濕度傳感器13.7

測(cè)量電路13.8

濕敏傳感器的應(yīng)用13.7

測(cè)量電路13.7.1

電源選擇13.7.2

溫度補(bǔ)償13.7.3

線(xiàn)性化13.7.1

電源選擇

濕敏電阻必需工作在交流回路中，若長(zhǎng)期在定向直流下工作，將使?jié)衩綦娮栊阅軔夯踔镣耆А＿@是由于多孔瓷的表面有水分附著的地方還存在一種水解分子或水分本身的電離過(guò)程，如果水分子附著密度過(guò)高時(shí)整個(gè)表面將構(gòu)成一層離子型導(dǎo)電通路，與體內(nèi)電子通路相并聯(lián)。即使環(huán)境濕度不太大，水分子主要附著在頸部，不一定能形成通路，但仍將出現(xiàn)部分電解現(xiàn)象。13.7.1

電源選擇

如果感濕元件在直流下工作，伴隨著上述電解過(guò)程必然形成正、負(fù)離子的單向積聚或O2－、H＋在正、負(fù)極的釋放等現(xiàn)象，還可能在氧化半導(dǎo)瓷表面出現(xiàn)不同方式與不同程度的化學(xué)反應(yīng)，如氧化還原作用，基質(zhì)離子遷移等。直流電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重，最終將使這種多孔瓷的表面結(jié)構(gòu)改變、濕敏特性變劣。13.7.1

電源選擇

要求交流頻率在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積聚的情況下盡可能低一些。如果電源頻率太高，將會(huì)由于測(cè)試回路的附加阻抗而影響靈敏度和準(zhǔn)確度。例如，當(dāng)頻率接近射頻時(shí)，必須嚴(yán)格限制測(cè)濕探頭引線(xiàn)的長(zhǎng)度。如果引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，容抗下降，等于將濕敏電阻旁路或短路。13.7.1

電源選擇

此外，由于水本身是一種介電常數(shù)比較高的介質(zhì)，頻率太高也會(huì)由于其容性效應(yīng)而影響準(zhǔn)確度。不過(guò)從振蕩電源的產(chǎn)生、穩(wěn)定和耦合角度來(lái)考慮，頻率高便于設(shè)計(jì)和處理。所以，對(duì)離子導(dǎo)電型測(cè)濕元件，電源頻率應(yīng)該大于50Hz，一般以1000Hz為宜；而對(duì)于電子導(dǎo)電型測(cè)濕元件，可低于50Hz，甚至1～2Hz也能正常工作，這時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的探頭引線(xiàn)也不會(huì)影響測(cè)濕精度。13.7

測(cè)量電路13.7.1

電源選擇13.7.2

溫度補(bǔ)償13.7.3線(xiàn)性化√13.7.2

溫度補(bǔ)償

氧化物半導(dǎo)瓷濕敏電阻R與溫度T和濕度f(wàn)的關(guān)系一般為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。通常其溫度關(guān)系屬于NTC型，即：式中，R0為T(mén)＝∞、f＝0時(shí)的阻值；B和A分別為元件的溫度與濕度特性常數(shù)。對(duì)上式求導(dǎo)，則得溫度系數(shù)TCR和濕度系數(shù)HCR分別為：13.7.2

溫度補(bǔ)償

通常在25℃時(shí)溫度系數(shù)為(0.1～0.3)%/℃，當(dāng)環(huán)境溫度有10～20℃的偏離時(shí)，可能引起測(cè)濕誤差為(1～6)％RH，故在測(cè)濕精度要求較高的情況下，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。13.7.2

溫度補(bǔ)償

最簡(jiǎn)單有效的溫度補(bǔ)償方法是在測(cè)濕回路內(nèi)串接正溫度系數(shù)(即PTC)型熱敏電阻。因?yàn)椋浩渲校?3.7.2

溫度補(bǔ)償

則回路阻值與溫度的關(guān)系為：式中，n、p分別代表NTC和PTC。

假設(shè)兩電阻的初值均