第十五章湿度传感器

四川省精品课程－传感技术1湿度传感器四川省精品课程－传感技术2目录一、简介二、湿度及湿度传感器三、电解质系湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器六、湿度传感器的应用及发展动向本章小结四川省精品课程－传感技术3一、简介湿度测量技术（可参《湿度测量》一书）湿度测量技术发展已有200多年历史人们对湿敏元件的认识是从1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl湿敏元件才开始的，从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。四川省精品课程－传感技术4湿度检测的重要性湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。四川省精品课程－传感技术5二、湿度及湿度传感器1、湿度及其表示方法2、湿度传感器及其特性参数3、湿度传感器的分类四川省精品课程－传感技术61、湿度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。四川省精品课程－传感技术7①、绝对温度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为:式中：ρ—被测空气的绝对湿度MV一被测空气中水汽的质量V—被测空气的体积VV四川省精品课程－传感技术8②、相对湿度相对湿度是气体的绝对湿度(ρV)与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(ρW)之比，常表示为％RH．其表达式为相对湿度=(ρV/ρW)×100%RH根据道尔顿分压定律，空气中压强P＝Pa十PV(Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状态方程，通过变换．又可将相对湿度用分压表示：相对湿度＝(PV/PW)×100%RH；式中：PV一待测气体的水汽分压；Pw一同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。四川省精品课程－传感技术92、湿度传感器及其特性参数湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。主要特性参数有：①湿度量程②感湿特征量③灵敏度④湿度温度系数⑤响应时间⑥湿滞回线和湿滞回差四川省精品课程－传感技术10①、湿度量程保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0－100％RH的全量程。四川省精品课程－传感技术11②、感湿特征量—相对湿度特性曲线每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。四川省精品课程－传感技术12感湿特性曲线湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量—相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线灵敏度四川省精品课程－传感技术13PI电容式湿度传感器湿度特性图四川省精品课程－传感技术14PI电容式湿度变送器输出特性曲线四川省精品课程－传感技术15③、灵敏度定义：湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化、元件感湿特征量的变化程度。表示法：直线的斜率。因此，它应当是湿致元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的．在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。四川省精品课程－传感技术16普遍采用的灵敏度的方法目前．虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。例如日本生产的MgCr2O4—TiO2湿敏元件的灵敏度．用一组电阻比R1%／R20%，R1%／R40%，R1%／R60%，R1%／R80%及R1%／R100%表示，其中R1%，R20%，R40%，R60%，R80%及R100%分别为相对湿度在1％，20％，40％，60％，80％及100％时湿敏元件的电阻值之比。四川省精品课程－传感技术17④、湿度温度系数湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。湿敏元件的湿度温度系数定义为；在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。四川省精品课程－传感技术18MgCr2O4—TiO2湿敏元件的温度特性四川省精品课程－传感技术19⑤、响应时间响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定：响应相对湿度变化量的63.2％时所需要的时间为响应时间。在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好。四川省精品课程－传感技术20K2O一Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线四川省精品课程－传感技术21⑥、湿滞回线和湿滞回差各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象四川省精品课程－传感技术22Mn3O4-TiO2湿敏器件在80℃时的湿滞回线•湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。•湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。•人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。四川省精品课程－传感技术23一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数使用寿命长，长期稳定性好灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好使用范围宽，湿度温度系数小响应时间短湿滞回差小能在有害气氛的恶劣环境中使用器件的一致性和互换性好，易于批量生产器件感湿特征量应在易测范围以内四川省精品课程－传感技术24三、电解质系湿度传感器1.无机电解质湿度传感器典型的是氯化锂湿敏元件光硬化树脂电解质湿敏元件2.高分子电解质湿度传感器四川省精品课程－传感技术25氯化锂湿敏元件敏感机理氯化锂是典型的离子晶体。氯化锂溶液中的Li+和Cl+是以正、负离子形式存在。机理1：不挥发盐（加氯化锂）溶解于水，降低了水的蒸气压，同时盐的浓度降低，电阻率增加(水的蒸气压越低，盐的浓度越低，电阻率越高相对湿度越小，电阻越高）。机理2：当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分而使其电离程度提高，导电能力增强，从而使氯化锂湿敏元件电阻降低；反之，环境相对湿度变低．氯化锂将释放出部分水分而使其电离程度下降，导电能力下降，其电阻上升；所以用氯化锂湿敏元件可实现对相对湿度的测量。四川省精品课程－传感技术26①、登莫(Dunmore)式•工艺登莫式传感器是在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的铝引线作为电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。若只采用一个传感器件，则其检测范围狭窄。因此，设法将氯化锂含量不同的几种传感器组合使用，使其检测范围能达到(20一90)％的相对湿度。A为用聚苯乙烯包封的铝管；B为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A上的铝丝。四川省精品课程－传感技术27氯化锂湿敏特性曲线四川省精品课程－传感技术28②、浸渍式（1）浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。在基片上浸渍氯化锂溶液。这种方式与登莫式不同，它部分地避免了高湿度下所产生的湿敏膜的误差。由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。它适应于微小空间的湿度检测。四川省精品课程－传感技术29与登莫式传感器一样，若仅使用一个这种传感器，则所能检测的湿度范围狭窄。因此，为了能够对传感器材料所能检测的整个湿度范围((20一90)％的相对湿度)都能进行检则，就必须使用几个特性不同(改变氯化锂溶液浓度的器件)的传感器。四川省精品课程－传感技术30②、浸渍式(2)在这种方式的传感器中，还有在玻璃带上浸有氯化锂溶液的另一类浸渍式湿度传感器。这种传感器的优点是：采用两种不同氯化锂溶液浓度的传感器就能够检测出(20一80％RH)的相对湿度。四川省精品课程－传感技术31•如图所示，阻值的对数与相对湿度(50－85)％RH成线性关系;•同样，若仅采用一支传感器,则所能检口的湿度范围也较窄.应设法用(1-1.5)％不同浓度的氯化锂来检测(40－80)％RH范围的湿度。这样就能完成整(20－80)％RH湿度范围的检测。玻璃带上浸LiCl的湿度传感器的感湿特性曲线四川省精品课程－传感技术32③、光硬化树脂电解质湿敏元件将树脂、氯化理、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液，浸涂在蒸镀有电极的塑料基片上，干燥后放置在紫外线下、助膜剂曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。它可在80℃温度下使用，并且有较好助耐水性，不怕“冲蚀”，从而提高了元件的性能。四川省精品课程－传感技术33四川省精品课程－传感技术342.高分子电解质湿度传感器①、聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件②、有机季铵盐高分子电解质湿敏元件③、聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件四川省精品课程－传感技术35①、聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件•此类元件是用聚苯乙烯作为基片，其表面用硫酸进行磺化处理，引入磺酸基团(-SO4H-)，形成具有共价键结合的磁化聚苯乙烯亲水层。•为了提高湿敏元件的感湿特性，再引入氯化锂溶液中，通过离子交换Li置换出磺酸基团中的氢离子H＋，形成磺酸锂感湿层，最后，在感湿层表面再印刷上多孔性电极。四川省精品课程－传感技术36在整个相对湿度范围内元件均在感湿特性，并且其阻值与相对湿度的关系在对数坐标上基本为一直线。实验证明，元件的感湿特性与基片表面的磺化时间密切相关，亦即与亲水性的离子交换树脂的性能有关。元件的湿滞回差亦较理想，在阻值相同的情况下，吸湿和脱湿时湿度指示的最大差值为(3—4)％RH。四川省精品课程－传感技术37对湿敏元件进行抗水浸性能的试验(水浸两小时)结果如图所示，水浸后元件阻值略有提高，在低湿段较为明显。四川省精品课程－传感技术38温度特性四川省精品课程－传感技术39四川省精品课程－传感技术40②、有机季铵盐高分子电解质湿敏元件该类高分子湿度传感器的感湿材料即是含有氯化季铵盐的高分子聚合物—丙烯酸酯，该材料是一种离子导电的高分子材料。四川省精品课程－传感技术41有机季铵盐高分子电解质湿敏元件感湿原理其感湿原理为：大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，电阻值的变化与相对湿度的变化成指数关系。四川省精品课程－传感技术42有机季铵盐高分子电解质湿敏元件的主要参数精度（%RH)工作温度范围（C）测湿范围（%RH)滞后（%RH)响应时间(ｓ)额定功率（mv)额定电压（V)额定电流（mA)±2～3-20～+6020～99.9±2300.31.5(AC)0.2四川省精品课程－传感技术43③、聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆加有交联剂的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯磺酸铵交联、聚合，形成体形高分子，再加保护膜，形成具有复膜结构的感湿元件。该元件测湿范围为(30—100)％RH；温度系数为-0.6%RH／℃；具有优良的耐水性，耐烟草性，一致性好。四川省精品课程－传感技术44四、半导体及陶瓷湿度传感器按其制作工艺分类：涂覆膜型烧结体型薄膜型MOS型四