第十五章-湿度传感器

第十五章湿敏传感器湿度测量技术发展已有200多年历史。而电子式湿度传感器是近几十年．特别是近20年才迅速发展起来的。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。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。湿度检测在精密仪器、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、国防等行业都有广泛的应用。毛发湿度计是一种利用毛发吸收空气中水汽的多少是随相对湿度的增大而增加的，而毛发的长短又和它所含有的水分多少有关的这一特性而制造的湿度计。用酒精等物将毛发洗净除油脂，以毛发十根为一束装置在容器中，利用杠杆原理，扩大它的伸缩藉指针直接在刻度板上指出湿度。毛发湿度计的优点是构造简单，使用方便，唯一的缺点是不够准确。15.5湿度传感器的应用及发展动向15.1湿度及湿度传感器15.2电解质系湿度传感器15.3半导体及陶瓷湿度传感器15.4有机物及高分子聚合物湿度传感器15.1湿度及湿度传感器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。15.1.1湿度及其表示方法一.绝对湿度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二.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，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。15.1.2湿度传感器及其特性参数一、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH（理想）表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。二、感湿特征量——相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。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。注***：有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器。有的湿度传感器的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。三.灵敏度定义：又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1％RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。表示法：感湿特征特性曲线的斜率。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。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。四.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。它可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环境温度的变化所引起的测湿误差。TRHdd）（五.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。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。六.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。总结：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15.1.3湿度传感器分类—见p31115.5湿度传感器的应用及发展动向15.1湿度及湿度传感器15.2电解质系湿度传感器15.3半导体及陶瓷湿度传感器15.4有机物及高分子聚合物湿度传感器15.2电解质系湿度传感器1、无机电解质湿度传感器2、高分子电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，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。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。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，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。另一种解释：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）。15.2.1无机电解质湿度传感器典型的是氯化锂湿敏元件，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，随湿度升高而电阻减小。一.登莫(Dunmore)式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。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。氯化锂湿敏特性曲线有3类典型产品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。组合式氯化锂温度传感器结构图二.浸渍式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。三.光硬化树脂电解质湿敏元件将树脂、氯化锂、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，并且有较好的耐水性，不怕“冲蚀”，从而提高了元件的性能。15.2.2高分子电解质湿度传感器感湿膜式高分子聚合物，吸湿导电作用的是电解质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高分子湿度传感器湿敏电容(材料电介常数变化)湿敏电阻(材料导电性变化)湿敏电阻(材料胀缩+导电微粒)15.5湿度传感器的应用及发展动向15.1湿度及湿度传感器15.2电解质系湿度传感器15.3半导体及陶瓷湿度传感器15.4有机物及高分子聚合物湿度传感器15.3半导体及陶瓷湿度传感器利用半导体陶瓷材料制成的湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800℃，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。按其制作工艺分类：涂覆膜型烧结体型薄膜型15.3.1涂覆膜型此类湿度敏感元件是把感湿粉料(金属氧化物)调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上。四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类；其中比较典型的性能较好的是四氧化三铁湿敏元件。涂覆膜型Fe3O4湿敏元件的结构和性能15.3.2烧结体型将两种以上金属氧化物半导体材料烧结而成的多孔陶瓷的半导体陶瓷湿敏元件。特点:这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。这是一类十分有发展前途的湿敏元件，其中较为成熟，且具有代表性的是：铬酸镁-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2)陶瓷湿敏元件；五氧化二钒-二氧化钛（V2O5-TiO2）陶瓷湿敏元件；羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）陶瓷湿敏元件；氧化锌-三氧化二铬（ZnO-Cr2O3）陶瓷湿敏元件等。MgCr2O4—TiO2陶瓷温敏元件结构感湿机理(一般认为)是：利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿使电极间电阻值随相对湿度成指数变化。MgCr2O4-TiO2湿敏元件的结构和感湿特性曲线15.3.3薄膜型特点：电容式该湿敏元件测湿的原理主要是：多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸气，从而改变了其本身的介电常数，这样由三氧化二铝做电介质构成的电容器的电容值，将随空气中水蒸气变化而变化。测量电容值，即可得出空气的相对湿度。氧化铝薄膜湿敏元件钽电容敏感元件A多孔导电层是用蒸发金膜制成的对面电极，它能使水蒸汽浸透氧化铝层；B为湿敏部分；C为绝缘层（高分子绝缘膜）；D为导线。优点：工作温度范围宽；体积小；响应快；低湿测量灵敏度高；缺点：对污染敏感而影响精度；高湿精度差；工艺复杂；易老化，稳定性差。1.Al2O3薄膜湿敏元件2.钽电容敏感元件目前以钽为基础的湿敏元件在有腐蚀剂和氧化剂的环境中使用时，都不能保证长期稳定性。但以钽作为基片，利用阳极氧化法形成氧化钽多孔薄膜是一种介电常数高、电特性和化学特性较稳定的薄膜。以此薄膜制成电容式湿敏元件可大大提高元件的长期稳定性。电容式湿敏元件就是采用氧化物为感湿材料的。15.5湿度传感器的应用及发展动向15.1湿度及湿度传感器15.2电解质系湿度传感器15.3半导体及陶瓷湿度传感器15.4有机物及高分子聚合物湿度传感器15.4有机物及高分子聚合物湿度传感器15.4.1胀缩性有机物湿敏元件15.4.2高分子聚合物薄膜湿敏元件15.4.1胀缩性有机物湿敏元件利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。纤维素是一种烃类化合物，其组成、结构和极性与水等极性溶剂较为相似敏感机理：吸湿体积增大，使得导电粒子间距变大，接触电阻变大。(电阻式)a、p:系数；c：导电微粒浓度Pcae)/(这一类湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件等。①碳湿敏元件碳湿敏元件采用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素(HEC)。工艺：羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，采用涂刷导银漆或真空镀金、化学淀积等方法，在基片两长边的边缘上形成金属电极，然后，再在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。②结露敏感元件该元件是在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电阻式感湿膜，感湿膜由新型树脂和碳粒组成。该元件具有独特的性能：在低湿时几乎没有感湿灵敏度，而在高湿(94％RH以上)时，其阻值剧增，呈现开关式阻值变化特性。特点：A、即使在使用中有灰尘