ch12+濕敏傳感器及其應(yīng)用課件

第12章濕敏傳感器及其應(yīng)用濕度是指大氣中的水蒸氣含量,通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。

絕對(duì)濕度是指單位空間中所含水蒸氣的絕對(duì)含量或者濃度或者密度,一般用符號(hào)AH表示。

相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比,一般用符號(hào)RH表示。相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度,它是一個(gè)無量綱的量,在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度這一概念。

12.1濕敏傳感器概述為了更好地描述一些與濕度有關(guān)的自然現(xiàn)象,目前,普遍用相對(duì)濕度（縮寫為RH）來表示濕度。

所謂相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度（PV）與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度PS的百分比,即滿足如下關(guān)系:

保持壓力一定而降溫,使混合氣體中的水蒸氣達(dá)到飽和而開始結(jié)露或結(jié)霜時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度,單位為℃。二、濕度傳感器的主要參數(shù)

1.濕度量程能保證一個(gè)濕敏器件正常工作的環(huán)境濕度的最大變化范圍稱為濕度量程。濕度范圍用相對(duì)濕度（0~100）%RH表示。量程是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2.感濕特征量-相對(duì)濕度特性曲線每種濕度傳感器都有其感濕特征量,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,稱為相對(duì)濕度特性曲線,簡稱感濕特性曲線。

通常希望特性曲線應(yīng)當(dāng)在全量程上是連續(xù)的且呈線性關(guān)系。有的濕度傳感器的感濕特征量隨濕度的增加而增大,這稱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,這稱為負(fù)特性濕敏傳感器。4.溫度系數(shù)溫度系數(shù)是反映濕度傳感器的感濕特征量-相對(duì)濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特征。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小,環(huán)境溫度變化所引起的相對(duì)濕度的誤差就越小。溫度系數(shù)分為特征量溫度系數(shù)和感濕溫度系數(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)為電阻溫度系數(shù)（%/°C）感濕溫度系數(shù)（%RH/°C）

式中,ΔT為一個(gè)溫度(25°C)與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差;H1為溫度為25°C時(shí)濕度傳感器的某一電阻值對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度值;H2為另一規(guī)定環(huán)境溫度下,濕度傳感器的同一電阻值對(duì)應(yīng)的另一相對(duì)濕度值。5.響應(yīng)時(shí)間在一定的溫度下,當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí),濕度傳感器的感濕特征量之值達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間,也稱為時(shí)間常數(shù)。一般是以相應(yīng)于起始和終止這一相對(duì)濕度變化區(qū)間63%的相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間,叫響應(yīng)時(shí)間,單位是s,也有規(guī)定從始到終90%的相對(duì)濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。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。7.電壓特性用濕度傳感器測(cè)量濕度時(shí),由于加直流測(cè)試電壓引起感濕體內(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)帶來較大影響。

8.頻率特性濕度傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓頻率有關(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。9.其它特性與參數(shù)

精度是指濕度量程內(nèi),濕度傳感器測(cè)量濕度的相對(duì)誤差。工作溫度范圍表示濕度傳感器能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍,它應(yīng)由極限溫度來決定,即由在額定功率條件下,能夠連續(xù)工作的最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度所決定。

穩(wěn)定性是指濕度傳感器在各種使用環(huán)境中,能保持原有性能的能力。一般用相對(duì)濕度的年變化率表示,即±%RH/年。

壽命是指濕度傳感器能夠保持原來的精度,能夠連續(xù)工作的最長時(shí)間。濕敏傳感器水分子親和力型濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器陶瓷式濕敏傳感器電容式濕敏傳感器電解質(zhì)濕敏傳感器非水分子親和力型濕敏傳感器熱敏電阻式濕敏傳感器紅外線式濕敏傳感器微波式濕敏傳感器超聲波式濕敏傳感器根據(jù)水分子易于吸附在固體濕敏元件表面并滲透到固體內(nèi)部的特性可以分為水分子親和力型和非水分子親和力型12.2電解質(zhì)濕敏傳感器

電解質(zhì)濕敏傳感器的濕敏元件主要包括潮解性鹽元件、非溶性鹽薄膜元件和采用離子交換樹脂元件，即包括無機(jī)電解質(zhì)和高分子電解質(zhì)濕敏傳感器兩大類。2、高分子電解質(zhì)濕敏傳感器

利用高分子電解質(zhì)吸濕而導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的基本原理來進(jìn)行測(cè)量的。雖然這類元件的感濕膜是高分子聚合物，但是真正起到吸濕導(dǎo)電作用的敏感物質(zhì)是電解質(zhì)。當(dāng)水吸附在強(qiáng)極性基高分子上時(shí)，隨著濕度的增加吸附量增大，吸附水之間凝聚呈液態(tài)水狀態(tài)。在低濕吸附量少的情況下，由于沒有電離子產(chǎn)生，電阻值很高；當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，凝聚化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的成對(duì)離子主要起載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質(zhì)子（H+）及水和氫離子（H3O+）也起電荷載流子作用，這就使得載流子數(shù)目急劇增加，傳感器的電阻急劇下降。利用高分子電解質(zhì)在不同濕度條件下電離產(chǎn)生的導(dǎo)電離子數(shù)量不等使阻值發(fā)生變化，就可以測(cè)定環(huán)境中的濕度。12.4半導(dǎo)體濕度傳感器

利用金屬硒蒸發(fā)膜或無定型硒蒸發(fā)膜都可以做濕敏器件。一般來說,硒蒸發(fā)膜的濕敏器件的電阻值比鍺蒸發(fā)膜的濕敏器件電阻值低,被測(cè)濕度范圍較大,但它也有和鍺膜濕敏器件同樣的需要較長老化時(shí)間的缺點(diǎn)。2.金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料具有較好的熱穩(wěn)定性及其抗沾污的特點(diǎn),逐漸被人們所重視,相繼出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件。半導(dǎo)體陶瓷使用壽命長,可以在很惡劣的環(huán)境下使用幾萬小時(shí),這是其它濕敏器件所無法比擬的。在對(duì)濕度的測(cè)量方面,半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件可以檢測(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各種優(yōu)點(diǎn)。所以,半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件已在當(dāng)前濕度敏感器件的生產(chǎn)和應(yīng)用中占有很重要的地位。應(yīng)用領(lǐng)域使用設(shè)備使用溫度、濕度范圍備注溫度℃濕度%RH家用電器空調(diào)機(jī)器干燥機(jī)電子炊具VTR5~405~805~100-5~6040~700~102~10060~100空調(diào)、烘干機(jī)、食品加熱、烹調(diào)控制、防止結(jié)露汽車散熱器-20~8050~100防止結(jié)露醫(yī)療治療器保健設(shè)備10~3010~3080~10050-80呼吸器系統(tǒng)、空調(diào)工業(yè)纖維干燥器粉體水分干燥食品電子部件生產(chǎn)10~3030~1005~10050~1005~405~1000~500~500~500~50制絲、窯業(yè)木材干燥、窯業(yè)原料、磁頭、LSI、IC農(nóng)林畜牧房屋空調(diào)茶田防霜養(yǎng)殖5~40-10~6020~250~1005~10040~70空調(diào)、防止結(jié)露、健康管理測(cè)量恒溫恒濕槽無線氣候監(jiān)測(cè)5~100-50~400~1000~100精密測(cè)量、氣象測(cè)量1、直讀式濕度計(jì)圖中RH為氯化鋰濕敏傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測(cè)濕電橋的電源，其振蕩頻率為250~1000Hz。電橋的輸出經(jīng)變壓器T2，Ｃ3耦合到VT3，經(jīng)VT3放大后的信號(hào)，經(jīng)VD1~VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對(duì)濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個(gè)簡單而實(shí)用的直讀式濕度計(jì)了。2、微波爐濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)3、汽車玻璃擋板結(jié)露控制電路RL：加熱絲；RH：結(jié)露傳感器。T