1、第三章 敏感陶瓷公衍生公衍生中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉） 材料与化学学院材料与化学学院第六节第六节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷3.6 湿敏陶瓷湿敏陶瓷一. 概述二. 湿敏陶瓷的基本特性三. 湿敏陶瓷传感器四. 湿敏特性原理 五. 湿敏陶瓷传感器的应用71/33.6.1 概述概述各种物质表面都要和空气接触，表面吸附着水分，水分透各种物质表面都要和空气接触，表面吸附着水分，水分透过物质的微孔与物质内部的水分保持平衡。过物质的微孔与物质内部的水分保持平衡。人体有可能因空气过分干燥而失水，造成皮肤干裂，干渴人体有可能因空气过分干燥而失水，造成皮肤干裂，干渴难忍，也有可能因过分潮湿而引起各种疾病。食品
2、、纸张、难忍，也有可能因过分潮湿而引起各种疾病。食品、纸张、烟草、机器、武器、弹药、药品等都有可能因潮湿而霉坏、烟草、机器、武器、弹药、药品等都有可能因潮湿而霉坏、变质或失去原有的性能。变质或失去原有的性能。因此，人类很早就十分重视湿度的测量和控制。因此，人类很早就十分重视湿度的测量和控制。 71/41.气体的湿度气体的湿度气体的湿度是指大气中水蒸气的含量。气体的湿度是指大气中水蒸气的含量。湿度的概念和检测方法湿度的概念和检测方法湿度有多种表示法，湿度有多种表示法，一般常用相对湿度表示。一般常用相对湿度表示。相对湿度相对湿度为某一为某一待测蒸汽压待测蒸汽压与相同温度下的与相同温度下的饱和蒸汽压
3、饱和蒸汽压比值比值的百分数，用的百分数，用RHRH表示。表示。常用的几种湿度量和单位见下表。常用的几种湿度量和单位见下表。 71/5常用湿度量的种类常用湿度量的种类 71/6露点（温度）露点（温度） 在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度。露，这一特定温度就称为露点温度。71/72. 固体的湿度固体的湿度固体的湿度固体的湿度是
4、物质中所含水分的百分数。是物质中所含水分的百分数。 物质中所含水分的质量与干物质质量之比，物质中所含水分的质量与干物质质量之比， 称为称为含水量含水量。 物质中所含水分的质量与其总质量之比，物质中所含水分的质量与其总质量之比， 称称为湿度。为湿度。 71/8 湿度检测的方法可分为四类：湿度检测的方法可分为四类： 毛发湿度计法毛发湿度计法、干湿干湿球湿度计法球湿度计法、露点计法露点计法、阻容式湿度计法阻容式湿度计法。 其中其中干湿球湿度计干湿球湿度计与与露点计露点计的时效小，可用于高精度测量，的时效小，可用于高精度测量， 但其体积大，但其体积大， 响应速度低，响应速度低， 无电信号，不能用于遥测
5、及无电信号，不能用于遥测及湿度自动控制。湿度自动控制。阻容式湿度阻容式湿度传感器体积小，传感器体积小， 响应速度快，响应速度快， 便于把湿度转便于把湿度转换为电信号，换为电信号， 但稳定性差，但稳定性差， 不耐不耐SO2的腐蚀。的腐蚀。 3. 湿度检测方法分类湿度检测方法分类71/9随着现代工业技术的发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、随着现代工业技术的发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了医疗等部门提出了高精度高可靠性测量高精度高可靠性测量和和控制湿度控制湿度的要求。的要求。因此，各种湿敏元件不断出现。利用因此，各种湿敏元件不断出现。利用湿敏电阻湿敏电阻进行湿度测量和进行湿度测
6、量和控制具有控制具有灵敏度高灵敏度高、体积小体积小、寿命长寿命长、不需维护不需维护、可以进行、可以进行遥遥测和集中控制测和集中控制等优点。等优点。3.6.2 湿敏陶瓷传感器湿敏陶瓷传感器湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。阻值发生变化这一原理而制成的。 71/101. 湿度传感器的概念湿度传感器的概念就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。主要由两个部分组成：主要由两个部分组成：湿敏元件湿敏元件和和转换电路转换电路，除此之，除此之外还包括一些外还包括一些
7、辅助元件辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。出显示设备等。71/11湿敏传感器的主要参数及特性湿敏传感器的主要参数及特性 湿度量程湿度量程感湿特征量感湿特征量- -相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线灵敏度灵敏度温度系数温度系数响应时间响应时间湿滞回线湿滞回线71/12（1） 湿度量程：它是指湿度传感器能够湿度量程：它是指湿度传感器能够较精确较精确测量测量的环境湿度的的环境湿度的最大范围最大范围。 由于各种湿度传感器由于各种湿度传感器所使用的材料所使用的材料及及依据的工依据的工作原理作原理不同，其特性并不都能适用于不同，其特性并不都能适用于0100%RH的的整
8、个相对湿度范围。整个相对湿度范围。71/13 按照所测环境湿度的不同，湿敏电阻通常可以按照所测环境湿度的不同，湿敏电阻通常可以分为四种类型：分为四种类型：高湿型高湿型适用于相对湿度大丁适用于相对湿度大丁70RH之处；之处； 中湿型中湿型适用于相对湿度在适用于相对湿度在3080RH之间；之间； 低湿型低湿型适用于相对湿度小于适用于相对湿度小于30RH之处；之处； 全湿型全湿型适用于测量适用于测量0100RH之湿度。之湿度。 湿敏电阻的分类湿敏电阻的分类71/14（2） 感湿特征量感湿特征量-相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线： 湿度传感器的输湿度传感器的输出变量称为其出变量称为其感湿特征量感湿特征
9、量， 如电阻、电容、击穿电压、如电阻、电容、击穿电压、 沟道沟道电阻等。电阻等。 湿度传感器的感湿特征量随湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度环境相对湿度(或绝对湿度或绝对湿度)的变化的变化曲线，曲线， 称为传感器的感湿特征量称为传感器的感湿特征量-环境湿度特性曲线，环境湿度特性曲线， 简称为简称为感湿特性曲线。感湿特性曲线。 性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线，性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线， 应有应有宽的线性范围宽的线性范围和和适中的灵敏度适中的灵敏度。如下图所示是一种二氧化如下图所示是一种二氧化钛钛-五氧化二钒（五氧化二钒（TiO2-V2O5）湿度敏感器件的感湿特性曲线。）湿度敏
10、感器件的感湿特性曲线。 71/15TiO2-V2O5的感湿特性曲线的感湿特性曲线 71/16（3）灵敏度）灵敏度：湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。斜率。大多数湿度敏感器件的感湿特性曲线是大多数湿度敏感器件的感湿特性曲线是非线性非线性的，的， 因此因此尚无统一的表示方法。尚无统一的表示方法。 较普遍采用的方法是用器件在不同环境较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的湿度下的感湿特征量之比感湿特征量之比来表示。来表示。例如，日本生产的例如，日本生产的MgCr2O4-TiO2湿度传感器的灵敏度是用一湿度传感器的灵敏度是用一组器件电阻比表示的：组器件电阻
11、比表示的：R1%/R20%、R1%/R40%、R1%/R60%、R1%/R80%及及R1%/R100%。角标表示该阻值所对应的相对湿度。角标表示该阻值所对应的相对湿度。 如如R1%表示相对湿度在表示相对湿度在1时器件的电阻值。时器件的电阻值。 71/17（4） 湿度温度系数湿度温度系数： 它定义为它定义为在器件感湿特征量恒定在器件感湿特征量恒定的的条件下，该感湿特征量值所表示的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的环境相对湿度随环境温度的变化率变化率， 即即 常数KTd)RH(d因此，环境温度将造成测湿误差。因此，环境温度将造成测湿误差。 例如，例如，=0.3RH/时，时， 环
12、境的温度变化环境的温度变化20，将引起，将引起6RH的测湿误差。的测湿误差。 71/18（5） 响应时间响应时间：它表示当环境湿度发生变化时，传：它表示当环境湿度发生变化时，传感器感器完成吸湿或脱湿完成吸湿或脱湿以及以及动态平衡过程动态平衡过程所需时间的特性所需时间的特性参数。参数。 响应时间用响应时间用时间常数时间常数来定义，即感湿特征量由起始值变来定义，即感湿特征量由起始值变化到终止值的化到终止值的0.632倍所需的时间。倍所需的时间。可见，可见，响应时间是与环境相对湿度的起、止值密切相关响应时间是与环境相对湿度的起、止值密切相关。71/19吸湿时间吸湿时间：当湿度由：当湿度由0%RH（或
13、接近（或接近0）增加到）增加到50%RH或或由由30%RH增加到增加到90%RH时，达到平衡所需要的时间。时，达到平衡所需要的时间。脱湿时间脱湿时间：当湿度由：当湿度由100%RH（或接近（或接近100%RH）下降到）下降到50%RH或由或由90%RH下降到下降到30%RH时，达到平衡所需要时，达到平衡所需要的时间。的时间。一般吸湿响应快，脱湿响应慢。湿敏陶瓷元件的响应时间一般吸湿响应快，脱湿响应慢。湿敏陶瓷元件的响应时间大多小于大多小于30 s。71/20响应速度响应速度一般规律一般规律：1）膜式或表面作用型元件响应快，体作用型响应慢；）膜式或表面作用型元件响应快，体作用型响应慢；2）吸湿时
14、响应快，脱湿时响应慢；）吸湿时响应快，脱湿时响应慢；3）物理吸附型响应较快，化学吸附型响应较慢；）物理吸附型响应较快，化学吸附型响应较慢；4）空气流动时响应较快，空气静止时响应较慢等。）空气流动时响应较快，空气静止时响应较慢等。71/21注意：注意：由于器件的吸湿和脱湿响应时间是由于器件的吸湿和脱湿响应时间是不一样的，不一样的， 因此，因此，在标明器件的响应时间时，在标明器件的响应时间时， 除指明起始和终止相对湿度外，最好分别注明除指明起始和终止相对湿度外，最好分别注明吸湿和脱湿情况。吸湿和脱湿情况。在二者差别甚微时，在二者差别甚微时， 方可统方可统一表示。一表示。 71/22（6） 湿滞回线
15、湿滞回线：一个湿度传感器在：一个湿度传感器在吸湿吸湿和和脱脱湿湿两种情况下的感湿特性曲线不相重复，一般可形两种情况下的感湿特性曲线不相重复，一般可形成为一回线，这种特性称为成为一回线，这种特性称为湿滞特性湿滞特性； 其曲线称为其曲线称为湿滞回线湿滞回线。如下图所示是如下图所示是Mn3O4-TiO2湿度传感器在湿度传感器在80时的湿时的湿滞回线。滞回线。71/23Mn3O4-TiO2在在80时的湿滞回线时的湿滞回线 71/24（7） 电压与频率特性电压与频率特性：湿度传感器加热清洗的激励电压：湿度传感器加热清洗的激励电压不能用直流，不能用直流，必须用交流必须用交流。加热使温度升高，因此电压不能。
16、加热使温度升高，因此电压不能过高。过高。传感器的感湿特征值与交流电压频率有关，因此电压传感器的感湿特征值与交流电压频率有关，因此电压的频率应有上限和下限的频率应有上限和下限。 除此之外，还应有除此之外，还应有使用条件使用条件、可靠性指标可靠性指标、稳定性稳定性、测湿精度测湿精度、分辨率分辨率、使用寿命使用寿命及及加热清洗参数加热清洗参数等。等。71/25湿敏元件长时间用于有油烟、灰尘等污染性的环境中，湿敏元件长时间用于有油烟、灰尘等污染性的环境中，本身也会受到污染，性能下降，最后失去湿敏性能。本身也会受到污染，性能下降，最后失去湿敏性能。但是可但是可以利用热清洗的方法恢复原有的性能，这是其他湿
17、敏元件所以利用热清洗的方法恢复原有的性能，这是其他湿敏元件所不及的。不及的。 所谓所谓热清洗热清洗，就是把湿敏陶瓷加热到，就是把湿敏陶瓷加热到400以上，使吸附以上，使吸附在陶瓷体表面上的污染物烧掉，恢复湿敏陶瓷原来的吸附能在陶瓷体表面上的污染物烧掉，恢复湿敏陶瓷原来的吸附能力。湿敏陶瓷可反复经受热清洗，其耐受热清洗的次数就决力。湿敏陶瓷可反复经受热清洗，其耐受热清洗的次数就决定了它的使用寿命。例如，定了它的使用寿命。例如，MgCr2O4-TiO2湿敏陶瓷可经受湿敏陶瓷可经受 25万次以上的热清洗，使用寿命大于万次以上的热清洗，使用寿命大于10年。年。71/26一个理想的湿敏传感器应具备的性能
18、一个理想的湿敏传感器应具备的性能使用寿命长，稳定性好使用寿命长，稳定性好灵敏度高，线性度好，温度系数小灵敏度高，线性度好，温度系数小使用范围宽，测量精度高使用范围宽，测量精度高响应迅速响应迅速湿滞回差小，重现性好湿滞回差小，重现性好 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低 器件感湿特征量应在易测范围内器件感湿特征量应在易测范围内71/27负湿敏特性的半导体陶瓷负湿敏特性的半导体陶瓷1: ZnO-Li2O-V2O5; 2: SiO2-Na2O-V2O5
19、3: MgCr2O4-TiO2正湿敏特性的半导体陶瓷正湿敏特性的半导体陶瓷1: Fe3O4; 2: Ni0.6Fe2.4O471/282. 湿敏传感器的分类湿敏传感器的分类 界限电流式湿敏传感器界限电流式湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器电阻式电阻式电容式电容式其它其它电解质式电解质式陶瓷式陶瓷式高分子式高分子式陶瓷式陶瓷式高分子式高分子式光纤湿敏传感器光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、二极管式、石英振子、SAWSAW式、微波式、热导式等式、微波式、热导式等湿敏传感器的分类湿敏传感器的分类 71/2971/30湿敏传感器的图形符号湿敏传感器的图形符号71/31湿敏传感器的图形符号湿敏传感器的图形符
20、号对于对于半导体陶瓷湿敏传感器半导体陶瓷湿敏传感器，其图形符号代表电阻元件。，其图形符号代表电阻元件。对于对于多孔多孔Al2O3湿敏传感器湿敏传感器，其图形符号代表电阻，其图形符号代表电阻RP和电容和电容CP的并联。的并联。 图中，图中，A-A端为端为测量电极测量电极，B-B端为端为加热清洗电极加热清洗电极。加热。加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层中的水分子。中的水分子。 71/32这是湿度传感器中最大的一类，这是湿度传感器中最大的一类， 品种繁多。品种繁多。 按其制作工艺可分为：按其制作工艺可分为： 涂覆膜型涂覆膜
21、型、 烧结体型烧结体型、 厚膜型厚膜型、 薄膜型薄膜型等。等。3. 半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器71/33通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。结而成为多孔陶瓷。 特点特点其其优点优点是：吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学是：吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响应速度快；可性能稳定；响应速度快；可加热清洗加热清洗，有利于在恶劣环境，有利于在恶劣环境下工作；工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成下工作；工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功多功能敏感元件能敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传
22、感器；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。的理想材料。 71/341） 涂覆膜型湿敏传感器涂覆膜型湿敏传感器涂覆膜型湿度敏感元件是把涂覆膜型湿度敏感元件是把感湿粉料感湿粉料（金属氧化物）调（金属氧化物）调浆，涂覆在已制好的浆，涂覆在已制好的梳状电极梳状电极或或平行电极平行电极的滑石瓷、氧化铝的滑石瓷、氧化铝或玻璃等或玻璃等基板基板上制成的。上制成的。四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。二铝等湿敏元件均属此类。其中比较典型且性能较好的是四其中比较典型且性能较好的是四氧化三铁氧化三铁(Fe3O4)湿敏元件。湿敏元件。 71/35涂覆膜型
23、涂覆膜型Fe3O4湿敏元件，一般采用湿敏元件，一般采用滑石瓷滑石瓷作为元件的作为元件的基片。在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状基片。在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状金电极金电极。将纯净的。将纯净的黑色黑色Fe3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。可使用。 71/36Fe3O4湿敏元件是能在湿敏元件是能在全湿度范围全湿度范围内进行测量的元件，内进行测量的元件， 并且具有一定的抗污染能力，并且具有一定的抗污染能力， 体积小。体积小。 但主要的
24、但主要的缺点缺点是：响应时间长，吸湿过程是：响应时间长，吸湿过程(60RH98RH)需要需要2 min，脱湿过程，脱湿过程(98RH12RH)需需57 min， 同时在工程应用中长期稳定性不够理想。同时在工程应用中长期稳定性不够理想。 71/372 2） 烧结体型湿敏传感器烧结体型湿敏传感器烧结体型湿敏元件烧结体型湿敏元件的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的。的。 即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等，用压力轧膜、流延或注浆等方法成型，结合剂和增塑剂等，用压力轧膜、流延或注浆等方法成型，
25、然后在适合的烧成条件下，在规定的温度和气氛下烧成，待然后在适合的烧成条件下，在规定的温度和气氛下烧成，待冷却清洗，冷却清洗， 检选合格产品被覆电极，检选合格产品被覆电极， 装好引线而成。装好引线而成。71/38这类元件的可靠性、这类元件的可靠性、 重现性等均比涂覆元件好，重现性等均比涂覆元件好， 而且是体而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。 这类元件中较为成熟，且具有这类元件中较为成熟，且具有代表性代表性的是：铬酸镁的是：铬酸镁-二氧化二氧化钛（钛（MgCr2O4-TiO2）陶瓷湿敏元件、五氧化二钒）陶瓷湿敏元件、五氧化二钒-二氧化钛二氧
26、化钛（V2O5-TiO2）陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石（）陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）陶瓷湿敏元件及氧化锌陶瓷湿敏元件及氧化锌-三氧化二铬（三氧化二铬（ZnO-Cr2O3）陶瓷湿敏元）陶瓷湿敏元件等。件等。 71/39（1） 铬酸镁铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件（二氧化钛陶瓷湿敏元件（MCT型）型）： 用用P型半导体型半导体MgCr2O4及及N型半导体型半导体TiO2粉粒为原粉粒为原料，配比混合，烧结成复合型半导体陶瓷。如下图（料，配比混合，烧结成复合型半导体陶瓷。如下图（a）所示，将烧结成的复合型半导体陶瓷割成所示，将烧结成的复合型半导体陶瓷割成4 mm5 mm0.3
27、 mm的小片；的小片；71/40MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2湿敏传感器结构与湿度特性湿敏传感器结构与湿度特性（a a） 结构；结构； （b b） 特性特性 护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线71/41在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铬丝烧制而成的在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铬丝烧制而成的加热清洗圈加热清洗圈（又称（又称KathalKathal加热器）；元件固定于一种高度致加热器）；元件固定于一种高度致密的、疏水性的绝缘陶瓷底片上；密的、疏水性的绝缘陶瓷底片上；为消除底座上测量电极之为消除底座上测量电极之间由于吸湿和沾污而引起的漏电，在电极的四周设置
28、了金短间由于吸湿和沾污而引起的漏电，在电极的四周设置了金短路环。路环。 每次使用前，通电加热清洗线圈，将湿敏陶瓷片加热每次使用前，通电加热清洗线圈，将湿敏陶瓷片加热至至350350400400，保持，保持101060 s60 s，即可清除污染，停数分钟后，即可清除污染，停数分钟后，元件电阻方能恢复原值。元件电阻方能恢复原值。 71/42SM-1型湿敏传感器的特性参数型湿敏传感器的特性参数 71/43（2 2） 五氧化二钒五氧化二钒- -二氧化钛陶瓷湿敏元件二氧化钛陶瓷湿敏元件： V V2 2O O5 5-TiO-TiO2 2系陶瓷系陶瓷多孔质烧结体，可整体吸附水汽多孔质烧结体，可整体吸附水汽。
29、元件。元件内部的两根内部的两根金丝电极金丝电极包埋在线卷内，通过测定电极间的电阻包埋在线卷内，通过测定电极间的电阻检测湿度。检测湿度。 其其特点特点是：测湿范围宽，能够耐高温，响应时间短；是：测湿范围宽，能够耐高温，响应时间短；缺缺点点是易发生漂移，是易发生漂移， 漂移量与相对湿度成比例。漂移量与相对湿度成比例。 71/44（3） 羟基磷灰石陶瓷湿敏元件：羟基磷灰石陶瓷湿敏元件： 该元件是目前国外研究得比较多的磷灰石系陶瓷湿敏该元件是目前国外研究得比较多的磷灰石系陶瓷湿敏元件。元件。羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性，当在，当在54RH和和100RH湿度下
30、，以每湿度下，以每5 min加热加热30 s(450)的周期的周期进行进行4000次热循环试验后，其误差仅为次热循环试验后，其误差仅为3.5RH。该元件。该元件的主要技术特性如下表所示。的主要技术特性如下表所示。 71/45羟基磷灰石陶瓷湿敏元件的主要技术特性羟基磷灰石陶瓷湿敏元件的主要技术特性 71/46（4) 氧化锌氧化锌-三氧化二铬陶瓷湿敏元件三氧化二铬陶瓷湿敏元件： 以上几种烧结型陶瓷湿敏元件以上几种烧结型陶瓷湿敏元件均需要加热清洗去污均需要加热清洗去污，因，因此不能连续测量。此不能连续测量。国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件（如件（如ZnO-C
31、r2O3）。该湿敏元件的电阻温度系数和老化现。该湿敏元件的电阻温度系数和老化现象很小。元件的响应速度快，象很小。元件的响应速度快，0RH100RH时约为时约为10 s，湿度变化为湿度变化为20时，响应时间仅为时，响应时间仅为2 s，吸湿和脱湿时几乎，吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。没有湿滞现象。 71/47（5） ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器：陶瓷湿度传感器： MgCr2O4陶瓷湿度传感器虽有抗污力强、寿命陶瓷湿度传感器虽有抗污力强、寿命长等优点，但因长等优点，但因阻值过高阻值过高，难以实现高精度检测。，难以实现高精度检测。ZnO-ZnCr2O湿度传感器的阻值远小于湿度传感器的阻值远小于
32、MgCr2O4传感器。传感器。 71/48 ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器的构造如下图所示。陶瓷湿度传感器的构造如下图所示。 在片状多孔陶瓷的两表面烧结在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金属电极多孔金属电极模，焊接模，焊接铂铑铂铑引线，引线， 封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。 这种传感器不需用加热器，只需这种传感器不需用加热器，只需0.5 mW的微小功率的微小功率即可使用。即可使用。它已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、它已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、 环境保护、环境保护、 家用电器等许多领域。家用电器等许多领域。71/49ZnO-ZnCr2O4陶瓷
33、湿度传感器结构陶瓷湿度传感器结构 71/50（6） Mn3O4-TiO2半导体陶瓷温湿敏传感器半导体陶瓷温湿敏传感器： 在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的（Mn3O4）0.7（TiO2）0.3，经高温烧结，即形成具有温湿敏的，经高温烧结，即形成具有温湿敏的坚固 电 阻 膜 ，坚固 电 阻 膜 ，其 阻 值 较前几种烧结型陶 瓷传感器都小其 阻 值 较前几种烧结型陶 瓷传感器都小（Rmax106 ）。）。在膜上等间隔烧结三条银电极环，分别引出在膜上等间隔烧结三条银电极环，分别引出引线，再用耐热憎水性树脂覆盖其中一个敏感膜，即构成温湿引线，
34、再用耐热憎水性树脂覆盖其中一个敏感膜，即构成温湿敏传感器。敏传感器。裸露的膜感湿，覆盖的膜感温。裸露的膜感湿，覆盖的膜感温。元件具有感湿、感元件具有感湿、感温负特性，感温一般不高于温负特性，感温一般不高于400。 71/51部分国产湿敏元件和湿敏传感器的特性参数部分国产湿敏元件和湿敏传感器的特性参数 71/52 ZnO-LiO2-V2O5系、系、Si-Na2O-V2O5系、系、TiO2-MgO-Cr2O3系、系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷负特性湿敏半导体陶瓷，最后，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，
35、故称为一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏正特性湿敏半导体陶瓷。半导体陶瓷。4. 导电机理导电机理71/53 （1） 负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。带负电。 如果该半导瓷是如果该半导瓷是型半导体型半导体，则由于水分子吸附使表面电，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降。势下降，将吸引更多的空穴到达其表
36、面，其表面层的电阻下降。71/54 若该半导瓷为型若该半导瓷为型，则，则由于水分子的附着使表面电势下降由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于到达表面层的空穴浓度大于电子浓度电子浓度，出现所谓，出现所谓表面反型层表面反型层，这些空穴称为反型载流子。，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N N型半导瓷材料型半导瓷材料的表面电阻下降。的表面电阻下
37、降。不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。而下降。71/551-ZnO-LiO2-V2O5系2-Si-Na2O-V2O5系3-TiO2-MgO-Cr2O3系几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性71/56 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子
38、浓度下降，但这电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度反型程度，此时仍以，此时仍以电子导电电子导电为主。于是，为主。于是，表面电阻将由于电表面电阻将由于电子浓度下降而加大子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。加而加大。 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，故表面层电阻的升高， 必将引起总电阻值的明显升高。必将引起总电阻值的明显升高。 （2）正特性湿敏半导瓷的导电机理）正特性湿敏半导瓷的导
39、电机理71/57 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性半导瓷的正湿敏特性 020406080100相对湿度 / %RH80100120140160180200220电阻 / 71/58半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器的优点的优点 传感器表面与水蒸气的传感器表面与水蒸气的接触面积接触面积大，易于水蒸气的吸大，易于水蒸气的吸收与脱却；收与脱却； 陶瓷烧结体能耐高温，物理、陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定化学性质稳定，适合采，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性； 可以通过可以通过调整烧结体表面调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的晶粒、晶粒界和细微气孔
40、的构造，改善传感器湿敏特性。构造，改善传感器湿敏特性。 71/593.6.3 湿敏陶瓷传感器的应用湿敏陶瓷传感器的应用1. 湿敏传感器应用注意事项湿敏传感器应用注意事项(1) 电源选择电源选择：湿敏电阻必须工作于交流回路中湿敏电阻必须工作于交流回路中。若用直。若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，和准确性，因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低
41、。率尽可能低。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50 Hz，一般以，一般以100 Hz为宜。对电子导电型，电源频率应低于为宜。对电子导电型，电源频率应低于50 Hz。71/60(2) 线性化线性化： 一般湿敏元件的特性均为非线性，一般湿敏元件的特性均为非线性， 为便为便于测量，于测量， 应将其线性化。应将其线性化。 (3) 温度补偿温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数温度系数为为0.10.3，故在测湿精度要求高的情况下必须，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。进行温度补偿。 71/61(4) 测湿范围
42、测湿范围：电阻式电阻式湿敏元件在温度超过湿敏元件在温度超过95RH时，时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性会变坏而不能复原。特性会变坏而不能复原。电容式电容式传感器在传感器在80RH以上高湿以上高湿及及100RH以上结露或潮解状态下，也难以检测。以上结露或潮解状态下，也难以检测。 另外，另外， 切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，状态， 也不要用手摸或嘴吹其表面也不要用手摸或嘴吹其表面。 71/62测量湿度传感器阻值测量湿度传感器阻值RP和容值和容值CP的三种电路如下图
43、所示。的三种电路如下图所示。 图（图（a）为低频交流供电，其中）为低频交流供电，其中R0选值远大于选值远大于RP，限制电流为，限制电流为微安级且恒定，输出电压与微安级且恒定，输出电压与RP成正比。成正比。 为了提高灵敏度而又限为了提高灵敏度而又限制温升，制温升，可采用图（可采用图（b）所示的低频脉冲供电，电路中采用温）所示的低频脉冲供电，电路中采用温度常数与度常数与RP温度系数相等的热敏电阻温度系数相等的热敏电阻RT作采样电阻，以实现温作采样电阻，以实现温度补偿。度补偿。图（图（c）为电容值测量电路）为电容值测量电路，当电源信号频率很高时，当电源信号频率很高时，RP的影响可忽略，的影响可忽略，
44、CPCFU0/Ui。 2. 阻容值的测量阻容值的测量71/63RP、CP的三种测量电路的三种测量电路（a） 低频交流电源测低频交流电源测RP ； （b） 低频脉冲电源测低频脉冲电源测RP ； （c） 高频电源测高频电源测CP 71/643. 加热去污加热去污陶瓷元件的加热去污应切实控制在陶瓷元件的加热去污应切实控制在450。它利用元件的。它利用元件的温度特性温度特性进行温度检测和控制，当温度达到进行温度检测和控制，当温度达到450即中断加热。即中断加热。 由于未加热前元件吸附有水分由于未加热前元件吸附有水分，突然加热会出现相当于，突然加热会出现相当于450时的阻值，而实际温度并未达到时的阻值，
45、而实际温度并未达到450，因此应在通电后因此应在通电后延迟延迟23 s再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再开始检再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再开始检测湿度。测湿度。 71/654. 基本应用电路基本应用电路交流电源湿度检测电路如下图所示。交流电源湿度检测电路如下图所示。运算放大器接成电运算放大器接成电压跟随器，其输出经二极管整流、电容滤波，与基准电压比压跟随器，其输出经二极管整流、电容滤波，与基准电压比较以检测湿度。较以检测湿度。比较器用于湿度检测控制。用计时电路每隔比较器用于湿度检测控制。用计时电路每隔一定时间进行一次加热去污。一定时间进行一次加热去污。 通电加热时中止湿度测量，数
46、秒后通过加热控制电路检通电加热时中止湿度测量，数秒后通过加热控制电路检测比较器的输出，确认已达测比较器的输出，确认已达450，则停止加热去污。，则停止加热去污。 71/66A2A1A3A4A5A6+_湿敏元件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W交流电源湿度检测电路交流电源湿度检测电路 D1振荡器放大电路传感器驱动电路整流电路对数温补电路71/67图中图中R R为湿敏电阻，为湿敏电阻，RtRt为温度补偿用热敏电阻。传感器的输出电压通过跟随器并为温度补偿用热敏电阻。传感器的输出电压通过跟随器并经整流和滤波后，一方面送入比较器经整流和滤波后，一方面送入比较器1 1与参考电压与参考电压U
47、U1 1比较，其输出信号控制某一比较，其输出信号控制某一湿度；另一方面送到比较器湿度；另一方面送到比较器2 2与参考电压与参考电压U U2 2比较，其输出信号控制加热电路，以比较，其输出信号控制加热电路，以便按一定时间加热清洗。便按一定时间加热清洗。振荡振荡电路电路加热控加热控制电路制电路比较器比较器1 1比较器比较器2 2湿湿度度控控制制U U2 2U U1 1+ +- -R RR Rt tU UCCCC湿敏电阻测量电路方框图湿敏电阻测量电路方框图71/68(a) 安装示意图 (b) 电路 汽车后窗玻璃自动去湿装置汽车后窗玻璃自动去湿装置在汽车中的应用在汽车中的应用71/69湿度控制器电路原理图湿度控制器电路原理图 房间湿度控制器房间湿度控制器71/70录像机结露检测电路录像机结露检测电路 录像机结露报警控制电路录像机结露报警控制电路71/71本节小结本节小结本节要点：本节要点： 1. 湿敏陶瓷的背景湿敏陶瓷的背景 2. 湿敏陶瓷的概念、分类、基本特性湿敏陶瓷的概念、分类、基本特性 3. 湿敏特性原理湿敏特性原理 4. 湿敏陶瓷传感器的应用及其注意事项湿敏陶瓷传感器的应用及其注意事项
