1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第13章章 湿度传感器湿度传感器第第13章章 湿度传感器湿度传感器霍尼韦尔生产霍尼韦尔生产HIH3600系列湿度传感器系列湿度传感器第第13章章 湿度传感器湿度传感器日本神荣相对湿度传感器日本神荣相对湿度传感器第第13章章 湿度传感器湿度传感器湿敏电容湿敏电容 湿敏电阻湿敏电阻第第13章章 湿度传感器湿度传感器 湿敏模块湿敏模块 湿敏传感器湿敏传感器第第13章章 湿度传感器湿度传感器芬兰生产的露点仪芬兰生产的露点仪第第13章章 湿度传感器湿度传感器超高精度湿度传感器超高精度湿度传感器第第13章章 湿度传感器湿度传感器土壤水分湿度传感器土壤水分湿度传感器第第13
2、章章 湿度传感器湿度传感器第第13章章 湿度传感器湿度传感器13. .1 概概 述述13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类与特性参数13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .5 多孔硅湿敏元件多孔硅湿敏元件13. .6 高分子湿度传感器高分子湿度传感器13. .7 测量电路测量电路13. .8 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用13. .1 概概 述述 人们对湿度测量与控制之重要性的认识，与人们对湿度测量与控制之重要性的认识，与温度相比要晚得多。温度相比要晚得多。17世纪才制成了毛发湿度计，世纪才制成了毛发湿度计，
3、18世纪制成了干湿球湿度计。世纪制成了干湿球湿度计。13. .1 概概 述述 它们的主要缺点是灵敏度和分辨率都不够高，它们的主要缺点是灵敏度和分辨率都不够高，而且输出是非电信号，难以同电子电路或自动控而且输出是非电信号，难以同电子电路或自动控制系统及仪器相连接。直到制系统及仪器相连接。直到1938年才研制出输出年才研制出输出电信号的电信号的LiCl电解质湿度传感器。电解质湿度传感器。13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法13. .1 概概 述述13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法 大气中
4、含有水分的多少直接影响大气的干、大气中含有水分的多少直接影响大气的干、湿程度。在物理学和气象学中，对大气湿程度。在物理学和气象学中，对大气( (空气空气) )湿湿度的表征通常使用度的表征通常使用绝对湿度绝对湿度、相对湿度相对湿度和和露露( (霜霜) )点湿度点湿度。 1. .绝对湿度绝对湿度 表示表示在一定温度和压力条件下，单位体积的在一定温度和压力条件下，单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，其定义为：混合气体中所含水蒸气的质量，其定义为：13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法 式中，式中，mv为待测混合气体中的水蒸气质量；为待测混合气体中的水蒸气质量；V为为待测混合气体的总体积
5、；待测混合气体的总体积；r rv为待测混合气体的绝为待测混合气体的绝对湿度，其单位为对湿度，其单位为g/ /m3。以。以AH表示绝对湿度。表示绝对湿度。) 1 .13(vvVmr13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法 2. .相对湿度相对湿度 相对湿度为待测空气的水蒸气分压相对湿度为待测空气的水蒸气分压p与相同与相同温度下饱和水蒸气压温度下饱和水蒸气压pW的比值，用百分数表示。的比值，用百分数表示。这是一个无量纲量，常表示为这是一个无量纲量，常表示为%RH( (RH为相对为相对湿度的缩写湿度的缩写) )，亦即：，亦即：)2 .13(RH% 100WppH13. .1. .1 湿度的
6、表示方法湿度的表示方法 绝对湿度绝对湿度相对湿度相对湿度温度的关系如图所示。温度的关系如图所示。13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法 3. .露点湿度露点湿度 保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露时的温度称为露点气达到饱和而开始结露时的温度称为露点( () )。 只要能测出露点，就可只要能测出露点，就可以通过一些数据表查得绝对以通过一些数据表查得绝对湿度。温度湿度。温度相对湿度相对湿度露露点的对应关系如图所示。用点的对应关系如图所示。用这种方法测得的相对湿度称这种方法测得的相对湿度称为露点湿度。为露点湿度。13. .1
7、概概 述述13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法 饱和盐水溶液法又称饱和盐水溶液法又称湿度固定点法湿度固定点法，属于静，属于静态标定法。虽然相对准确度较低，并且只能提供态标定法。虽然相对准确度较低，并且只能提供固定的湿度点，却具有简易和价廉的优点。固定的湿度点，却具有简易和价廉的优点。 方法：将饱和盐水溶液置于封闭的容器中，方法：将饱和盐水溶液置于封闭的容器中，根据根据拉乌尔定律拉乌尔定律和和亨利定律亨利定律，在定温和平
8、衡的条，在定温和平衡的条件下，溶液的组分固定，则件下，溶液的组分固定，则水蒸气水蒸气分压为常量，分压为常量，可使饱和盐水溶液上方的空间保持恒定的相对湿可使饱和盐水溶液上方的空间保持恒定的相对湿度。改变溶液的组分可获得不同的平衡度。改变溶液的组分可获得不同的平衡水蒸气水蒸气分分压，即可得到不同的相对湿度。压，即可得到不同的相对湿度。13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法 在选择饱和盐水溶液时，应使其对应的相对在选择饱和盐水溶液时，应使其对应的相对湿度有合适的间隔。在配制饱和盐水溶液时一定湿度有合适的间隔。在配制饱和盐水溶液时一定要用纯净水要用纯净水(
9、(如蒸馏水或去离子水如蒸馏水或去离子水) )以及较纯净的以及较纯净的盐，并保持水溶液与其上方的气温一致。各种饱盐，并保持水溶液与其上方的气温一致。各种饱和盐水溶液对应的相对湿度值一般采用美国国家和盐水溶液对应的相对湿度值一般采用美国国家标准局标准局1976年提供的数据。年提供的数据。13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法下下表是几种饱和盐水溶液平衡时的相对湿度值。表是几种饱和盐水溶液平衡时的相对湿度值。13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法如图所示是饱和盐水溶液湿度发生装置。如图所示是饱和盐水溶液湿度发生装
10、置。13. .1 概概 述述13. .1. .1 湿度的表示方法湿度的表示方法13. .1. .2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法标定湿度传感器的饱和盐水溶液法第第13章章 湿度传感器湿度传感器13. .1 概概 述述13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类与特性参数13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .5 多孔硅湿敏元件多孔硅湿敏元件13. .6 高分子湿度传感器高分子湿度传感器13. .7 测量电路测量电路13. .8 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类
11、与特性参数13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类 湿度传感器可分为湿度传感器可分为水分子亲合力型水分子亲合力型和和非水非水分子亲合力型分子亲合力型两类。水分子有较大的偶极矩故易两类。水分子有较大的偶极矩故易于吸附在固体表面并渗透到固体内部。水分子的于吸附在固体表面并渗透到固体内部。水分子的这种吸附和渗透特性称为水分子的亲合力。利用这种吸附和渗透特性称为水分子的亲合力。利用水分子这一特性制作的湿度传感器称为水分子亲水分子这一特性制作的湿度传感器称为水分子亲合力型传感
12、器。反之，与水分子亲合力无关的称合力型传感器。反之，与水分子亲合力无关的称为非水分子亲合力型传感器。为非水分子亲合力型传感器。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类湿度传感器分类如图所示。湿度传感器分类如图所示。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类 若按照材料分类，又可分为若按照材料分类，又可分为陶瓷湿度传感陶瓷湿度传感器器、有机高分子湿度传感器有机高分子湿度传感器、半导体湿度传感半导体湿度传感器器、电解质湿度传感器电解质湿度传感器等，如表等，如表13. .2所示。所示。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类 热敏电阻式湿度传感器如图所示，图热
13、敏电阻式湿度传感器如图所示，图( (a) )是是测量电路，图测量电路，图( (b) )是传感器结构。是传感器结构。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类微波式湿度传感器的结构及特性如图所示。微波式湿度传感器的结构及特性如图所示。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类石英振子式湿度传感器的结构及特性如图所示。石英振子式湿度传感器的结构及特性如图所示。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类湿敏二极管及其感湿特性曲线如图所示。湿敏二极管及其感湿特性曲线如图所示。13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类湿敏湿敏MOS晶体管如图所示。晶体管如
14、图所示。13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类与特性参数13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 1. .湿度量程湿度量程 能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度最能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度最大变化范围称为湿度量程，用相对湿度表示。大变化范围称为湿度量程，用相对湿度表示。 由于不同的湿度传感器所使用的功能材料不由于不同的湿度传感器所使用的功能材料不同，以及工作时所依据的物理效应或化学反应的同，以及工作时所依据的物理效应或化学反应的不
15、同，致使湿度传感器的量程不同。不同，致使湿度传感器的量程不同。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 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 每种湿度传感器都有其每种湿度传感器都有其感湿特征量感湿特征量，例如电，例如电阻、电容、电压、频率等。在规定的工作温度范阻、电容、电压、频率等。在规定的工作温度范围内，湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度围内，湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为变化的关系曲线，称为相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线，简称，简称感湿特性曲线感湿特性曲线。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性
16、参数 有的湿度传感器的感有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而湿特征量随湿度的增加而增大，这称为增大，这称为正特性湿敏正特性湿敏传感器传感器；有的感湿特征量；有的感湿特征量随湿度的增加而减小，称随湿度的增加而减小，称为为负特性湿敏传感器负特性湿敏传感器。某。某种湿度传感器的感湿特性种湿度传感器的感湿特性曲线如图所示。曲线如图所示。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 3. .感湿灵敏度感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内，相对湿度改变在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1 % RH时，湿度传感器感湿特征量的变化值或变化时，湿度传感器感湿特征量的变化值或变化的百分率称为的百
17、分率称为感湿灵敏度感湿灵敏度，简称，简称灵敏度灵敏度，又称为，又称为湿度系数湿度系数。由于由于湿度传感器的感湿特性曲线一般湿度传感器的感湿特性曲线一般是非线性的，这样表示灵敏度存在困难。是非线性的，这样表示灵敏度存在困难。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 目前，关于湿度传感器灵敏度的表示方法尚目前，关于湿度传感器灵敏度的表示方法尚未得到统一，较为普遍采用的方法是，未得到统一，较为普遍采用的方法是，用不同相用不同相对湿度下感湿特征量之比来表示灵敏度对湿度下感湿特征量之比来表示灵敏度。 例如，例如，日本生产的日本生产的MgCr2O4- -TiO2湿度传感湿度传感器的灵
18、敏度用器的灵敏度用R1 %与与R20 %，R40 %，R60 %，R80 %及及R100 %的比值表示。的比值表示。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 4. .温度系数温度系数 温度系数是反映湿度传感器感湿特征量温度系数是反映湿度传感器感湿特征量相相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性参数。对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性参数。显然越小越好。温度系数分为显然越小越好。温度系数分为特征量温度系数特征量温度系数和和感湿温度系数感湿温度系数。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 在环境湿度保持恒定的情况下，湿度传感器在环境湿度保持恒定的情况下
19、，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为称为特征量温度系数特征量温度系数。如感湿特征量是电阻，则。如感湿特征量是电阻，则电阻温度系数为：电阻温度系数为：% 100/ )(112TRRR式中，式中， T为两个规定温度之差；为两个规定温度之差；R2和和R1为这两个为这两个规定温度下湿度传感器的阻值。规定温度下湿度传感器的阻值。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 感湿温度系数感湿温度系数定义为：在环境湿度保持恒定定义为：在环境湿度保持恒定的条件下，环境温度每变化的条件下，环境温度每变化1 时所引起的湿度时所引起的
20、湿度误差。即：误差。即： 式中，式中， T为环境温度与规定温度之差；为环境温度与规定温度之差；H2、H1分别为环境温度下和规定温度下湿度传感器的感分别为环境温度下和规定温度下湿度传感器的感湿特征量所对应的相对湿度。湿特征量所对应的相对湿度。)3 .13(121212THHTTHH13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 5. .响应时间响应时间 在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器感湿特征量之值达到稳态值的度传感器感湿特征量之值达到稳态值的63 % ( (也也有规定有规定90 %的的) )所需要的时间称为响应时间，也所需要的
21、时间称为响应时间，也称为时间常数。响应时间又分为称为时间常数。响应时间又分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿响应时间脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。为湿度传感器的响应时间。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 6. .湿滞回线和湿滞回差湿滞回线和湿滞回差 湿度传感器在吸湿和脱湿往返湿度传感器在吸湿和脱湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重合，所构成的曲线叫合，所构成的曲线叫湿滞回线湿滞回线。由。由
22、于吸湿和脱湿特性曲线不重合，对于吸湿和脱湿特性曲线不重合，对应同一感湿特征量的相对湿度之差应同一感湿特征量的相对湿度之差称为称为湿滞量湿滞量。湿滞量的最大值称为。湿滞量的最大值称为湿滞回差湿滞回差。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 7. .电压特性电压特性 测量湿度时，加直流测试电压将引起感湿体测量湿度时，加直流测试电压将引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故降，故测试电压应采用交流电压测试电压应采用交流电压。湿度传感器感。湿度传感器感湿特征量之值与外加交流电压之间的关系称为湿特征量之值与外加交流电压之
23、间的关系称为电电压特性压特性。当交流电压较大时，由于产生焦耳热，。当交流电压较大时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的特性会带来较大影响。对湿度传感器的特性会带来较大影响。13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数 8. .电源电源频率特性频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压的频率湿度传感器的阻值与外加测试电压的频率有关。在各种湿度下，当测试频率小于一定值时，有关。在各种湿度下，当测试频率小于一定值时，阻值不随测试频率而变化，该频率被确定为湿度阻值不随测试频率而变化，该频率被确定为湿度传感器的传感器的使用频率上限使用频率上限。当然，为防止水分子的。当然，为防止水分子的电解，
24、测试电压频率也不能太低。电解，测试电压频率也不能太低。 其他还有工作温度范围、稳定性、寿命等。其他还有工作温度范围、稳定性、寿命等。13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类与特性参数13. .2. .1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类13. .2. .2 湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数第第13章章 湿度传感器湿度传感器13. .1 概概 述述13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类与特性参数13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .5 多孔硅湿敏元件多孔硅湿敏元件13. .6 高分子湿度
25、传感器高分子湿度传感器13. .7 测量电路测量电路13. .8 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器 氯化锂湿度传感器的优点是滞后小氯化锂湿度传感器的优点是滞后小, 不受测不受测试环境风速影响，检测精度可达试环境风速影响，检测精度可达5 %，但其耐，但其耐热性差，不能用于露点下测量，元件性能的重热性差，不能用于露点下测量，元件性能的重复性不理想，使用寿命短。复性不理想，使用寿命短。13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .3. .1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构13. .3. .2 氯化锂湿敏电阻的感湿特
26、性氯化锂湿敏电阻的感湿特性13. .3. .1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 1. .工作原理工作原理 氯化锂是一种电解质，由于极性水分子的作氯化锂是一种电解质，由于极性水分子的作用，氯化锂可离解出能够自由移动的用，氯化锂可离解出能够自由移动的Li、Cl离离子。离子的多少决定了其电导率的大小。而离子子。离子的多少决定了其电导率的大小。而离子的多少又取决于给定温度下环境的相对湿度。因的多少又取决于给定温度下环境的相对湿度。因此，通过测量电阻即可确定环境的相对湿度。此，通过测量电阻即可确定环境的相对湿度。13. .3. .1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构氯化锂湿敏
27、电阻的工作原理与结构 2. .传感器的结构传感器的结构 氯化锂湿敏电阻元氯化锂湿敏电阻元件的结构如图所示。件的结构如图所示。AB 用圆筒形支架作为基体，表面先浸涂一层聚用圆筒形支架作为基体，表面先浸涂一层聚苯乙烯憎水层，然后在聚苯乙烯薄膜上并行地绕苯乙烯憎水层，然后在聚苯乙烯薄膜上并行地绕钯丝电极，再把碱化后的聚乙烯醋酸脂和氯化锂钯丝电极，再把碱化后的聚乙烯醋酸脂和氯化锂水溶液水溶液( (0.51.0 %) )的混合液均匀地涂在圆筒表的混合液均匀地涂在圆筒表面。当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一层面。当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一层阻值随环境相对湿度变化的感湿薄膜。阻值随环境相对湿度变
28、化的感湿薄膜。13. .3. .1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 浸渍式浸渍式LiCl湿湿度传感器的结构如度传感器的结构如图所示。图所示。13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .3. .1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构13. .3. .2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性氯化锂湿敏电阻的感湿特性13. .3. .2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性氯化锂湿敏电阻的感湿特性 氯化锂在固态下导电能力很差，但在氯化锂氯化锂在固态下导电能力很差，但在氯化锂水溶液中，水溶液中，Li和和Cl以游离离子的形式存在，导以游离离子的形式存在，导电能
29、力很强。氯化锂中的电能力很强。氯化锂中的Li对水蒸气有很强的对水蒸气有很强的吸附能力。当传感器置于湿度场中时，若环境相吸附能力。当传感器置于湿度场中时，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分，使游离的对湿度高，氯化锂将吸收水分，使游离的Li和和Cl的数量的数量增加，电阻率降低。反之，电阻率上增加，电阻率降低。反之，电阻率上升。从而实现对湿度的测量。升。从而实现对湿度的测量。13. .3. .2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性氯化锂湿敏电阻的感湿特性 氯化锂湿敏电阻具有氯化锂湿敏电阻具有负感湿特性，湿度负感湿特性，湿度电阻电阻特性曲线如图所示。由图特性曲线如图所示。由图可知，若采用单片湿度传可知，若采用单
30、片湿度传感器，其测量范围一般只感器，其测量范围一般只有有30 %RH左右。左右。13. .3. .2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性氯化锂湿敏电阻的感湿特性 为扩大测量范围，可将多个氯化锂含量不同为扩大测量范围，可将多个氯化锂含量不同的元件组合使用，如将测量范围分别为的元件组合使用，如将测量范围分别为1020、2040、4070、7090和和8099 %RH的五种的五种元件配合使用，就可实现元件配合使用，就可实现1099 %RH的湿度测的湿度测量范围，如图所示。量范围，如图所示。13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .3. .1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构氯化锂湿敏电阻的工作原理
31、与结构13. .3. .2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性氯化锂湿敏电阻的感湿特性第第13章章 湿度传感器湿度传感器13. .1 概概 述述13. .2 湿度传感器的分类与特性参数湿度传感器的分类与特性参数13. .3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .5 多孔硅湿敏元件多孔硅湿敏元件13. .6 高分子湿度传感器高分子湿度传感器13. .7 测量电路测量电路13. .8 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷
32、湿敏材料的导电机理13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件 1. .元素半导体湿敏器件元素半导体湿敏器件 在绝缘体表面上通过蒸发等工艺，制备一层在绝缘体表面上通过蒸发等工艺，制备一层具有吸湿性的元素半导体薄膜，可形成湿敏电阻具有吸湿性的元素半导体薄膜，可形成湿敏电阻器。通常利用器。通常利用Ge和和Se等元素半导体的蒸发膜制备等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件。锗适用于高湿度的测量，特点是不受湿敏器件。锗适用于高湿度的测量，特点是不受环境中灰尘等的影响，能得到比较精确的测量结环境中灰尘等的影响，能得到比较精确的测量结果。然而在制备器件
33、时，锗蒸发膜的老化需要较果。然而在制备器件时，锗蒸发膜的老化需要较长时间，并且器件的重复性差。长时间，并且器件的重复性差。13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件 利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。就湿度特性来说，后者比前者要好做湿敏器件。就湿度特性来说，后者比前者要好些，但就稳定性来说，却要差些。一般来说，硒些，但就稳定性来说，却要差些。一般来说，硒蒸发膜湿敏器件的电阻值比锗的低，湿度范围较蒸发膜湿敏器件的电阻值比锗的低，湿度范围较大，但也需要较长时间的老化。大，但也需要较长时间的老化。13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件 在绝缘瓷管表面
34、上镀一层铂膜，然后以细螺在绝缘瓷管表面上镀一层铂膜，然后以细螺距将铂膜刻成宽约距将铂膜刻成宽约0.1 cm的螺旋状，作为两个电的螺旋状，作为两个电极，在两电电极之间蒸发硒膜，制成硒蒸发膜湿极，在两电电极之间蒸发硒膜，制成硒蒸发膜湿度传感器。其电阻度传感器。其电阻湿度特性如图所示。湿度特性如图所示。204060801000.010.111010020相对湿度 / 电阻 / 10613. .4. .1 湿敏器件湿敏器件 2. .金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件 由于金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的由于金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及抗玷污等特点而逐渐被重视。半
35、导体热稳定性及抗玷污等特点而逐渐被重视。半导体陶瓷的使用寿命长，可在很恶劣的环境下使用几陶瓷的使用寿命长，可在很恶劣的环境下使用几万小时，这是其他湿敏器件无法比拟的。半导体万小时，这是其他湿敏器件无法比拟的。半导体陶瓷湿敏器件可检测陶瓷湿敏器件可检测1 %RH这样的低湿状态，这样的低湿状态，而且还具有响应快、精度高、使用温度范围宽、而且还具有响应快、精度高、使用温度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗等优点。湿滞现象小和可以加热清洗等优点。13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件按制备方金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件按制备方法可分为两大类。一类是把金属氧化物微粒经法可分为两
36、大类。一类是把金属氧化物微粒经过粘结而堆积在一起的胶体，通常将这种未经过粘结而堆积在一起的胶体，通常将这种未经烧结的微粒堆积体称为陶瓷，用这种陶瓷材料烧结的微粒堆积体称为陶瓷，用这种陶瓷材料制成的湿敏器件，一般称为制成的湿敏器件，一般称为涂覆膜型湿敏器件涂覆膜型湿敏器件。另一类陶瓷材料是经过研磨、成型和按一般制另一类陶瓷材料是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成，称为陶方法烧结而成，称为烧结型湿敏器件烧结型湿敏器件。13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。属氧化物半导体材料混
37、合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有这些材料有ZnO- -LiO2- -V2O5系、系、Si- -Na2O- -V2O5系、系、TiO2- -MgO- -Cr2O3系、系、Fe3O4等。等。 若材料的电阻率随湿度增加而下降，称为若材料的电阻率随湿度增加而下降，称为负负特性湿敏半导体陶瓷特性湿敏半导体陶瓷，若材料的电阻率随湿度增，若材料的电阻率随湿度增大而增大，称为大而增大，称为正特性湿敏半导体陶瓷正特性湿敏半导体陶瓷( (为叙述为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷半导瓷) )。13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件1
38、3. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 关于半导瓷材料的导电机理有多种理论，目关于半导瓷材料的导电机理有多种理论，目前看法尚不一致。一般认为，作为湿敏材料的多前看法尚不一致。一般认为，作为湿敏材料的多晶陶瓷，由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规晶陶瓷，由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性，不仅载流子浓度远比晶粒内部小，而且载律性，不仅载流子浓度远比晶粒内部小，而且载流子迁移率也要低得多。所以，流子迁移率也要低得多。所以，晶粒间界电
39、阻要晶粒间界电阻要比体内高得多比体内高得多，因而晶粒间界便成了半导瓷中传，因而晶粒间界便成了半导瓷中传导电流的主要障碍。导电流的主要障碍。13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面附着时，就可能从半导瓷表面俘获在半导瓷表面附着时，就可能从半导瓷表面俘获电子。如果该半导瓷是电子。如果该半导瓷是P型的，则由于水分子的型的，则由于水分子的吸附使表面的空穴增加，电阻下降，这类材料就吸附使表面的空穴增加，电阻下降，这类材料就具有负感湿特性。它的阻值随着湿度的增加可下具有负感湿特性。它的阻
40、值随着湿度的增加可下降降34个数量级。个数量级。13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 对于对于N型半导瓷，水分子的附着不仅能够使型半导瓷，水分子的附着不仅能够使表面层的电子耗尽，还能在表面层产生大量的空表面层的电子耗尽，还能在表面层产生大量的空穴，以致出现所谓的穴，以致出现所谓的表面反型层表面反型层。这些空穴称为。这些空穴称为反型载流子，它们同样可以在表面迁移而对电导反型载流子，它们同样可以在表面迁移而对电导作出贡献。这就说明了水分子的附着同样可使作出贡献。这就说明了水分子的附着同样可使N型半导瓷材料的表面电阻下降。型半导瓷材料的表面电阻下降。13. .4.
41、.2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 由此得出结沦，不论是由此得出结沦，不论是N型还是型还是P型半导瓷，型半导瓷，只要表面易于被水分子附着，则其电阻率都将随只要表面易于被水分子附着，则其电阻率都将随湿度的增加而下降。湿度的增加而下降。 已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属氧化物及其盐类，都具有明显的湿敏特性，例如氧化物及其盐类，都具有明显的湿敏特性，例如ZnO、CuO、Fe2O3、TiO5、V2O5、ZnCr2O5等。等。13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理几种负特性湿敏半导瓷的特性曲线如图所示。几种负
42、特性湿敏半导瓷的特性曲线如图所示。1ZnO- -LiO2- -V2O5系列；系列；2Si- -Na2O- -V2O5系列；系列；3TiO2- -MgO- -Cr2O3系列系列13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 对正特性湿敏半导瓷，可对正特性湿敏半导瓷，可以这样简单地来理解：当水分以这样简单地来理解：当水分子附着在表面时，造成表面层子附着在表面时，造成表面层电子浓度下降，但不足以出现电子浓度下降，但不足以出现反型层，此时仍以电子导电为反型层，此时仍以电子导电为主，于是表面电阻将因电子浓主，于是表面电阻将因电子浓度的下降而增大。度的下降而增大。13. .4. .
43、2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 通常湿敏半导瓷材料都是多孔型的，表面电通常湿敏半导瓷材料都是多孔型的，表面电阻占的比例很大，尽管存在晶粒内部低阻支路的阻占的比例很大，尽管存在晶粒内部低阻支路的短路作用，表面层电阻的增大必将引起总电阻的短路作用，表面层电阻的增大必将引起总电阻的增大。但是，总电阻的增大没有负特性材料中阻增大。但是，总电阻的增大没有负特性材料中阻值的下降那么明显。值的下降那么明显。13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 比较图比较图13. .4和图和图13. .5可见，当湿度在可见，当湿度在( (0 100) )RH范围内时，负
44、特性材料的阻值下降三范围内时，负特性材料的阻值下降三个数量级，而正特性材料阻值只增大一倍。个数量级，而正特性材料阻值只增大一倍。13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 涂覆膜型湿敏元件的阻值随湿度变化非常剧涂覆膜型湿敏元件的阻值随湿度变化非常剧烈，这是由其结构造成的。由于粉粒之间通常是烈，这是由其结构造成的。由于粉粒之间通常是很松散的，相互之间有极大的接触电阻，在总电很松散的，相互之间有极大的接触电阻，在总电阻中起主导作用。这种松散结构使其粉粒之间具阻中起主导作用。这种松散结构使其粉粒之间具有很大的有很大的“准自由准自由”表面。这些表面非常有利于表面。这些表面非
45、常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间接触处的附水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间接触处的附着将使其接触程度强化，使接触电阻显著降低。着将使其接触程度强化，使接触电阻显著降低。13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理 对于对于涂覆膜型湿敏元件，接触电阻在湿敏元涂覆膜型湿敏元件，接触电阻在湿敏元件中起主导作用，不论是用哪种原料，只要其结件中起主导作用，不论是用哪种原料，只要其结构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境湿构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境湿度的增高而显著下降。例如，涂覆膜型度的增高而显著下降。例如，涂覆膜型Fe3O4湿湿敏电阻具有负特性，而烧结型
46、敏电阻具有负特性，而烧结型Fe3O4湿敏电阻却湿敏电阻却具有正特性。具有正特性。13. .4 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻13. .4. .1 湿敏器件湿敏器件13. .4. .2 半导瓷湿敏材料的导电机理半导瓷湿敏材料的导电机理13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻 1. .烧结型半导体陶瓷湿敏电阻烧结型半导体陶瓷湿敏电阻 目前，从各国湿度传感器产量可以看出，约目前，从各国湿度传感器产量可以看出，约有有50 %以上是烧结型的，而厚膜和薄膜各占以上是烧结型的，而厚膜和薄膜各占15 %到到20
47、%。烧结型陶瓷湿度传感器品种繁多，其。烧结型陶瓷湿度传感器品种繁多，其性能也各不相同。性能也各不相同。13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻 多孔质烧结型陶多孔质烧结型陶瓷瓷MgCr2O4- -TiO2湿湿敏器件的结构如图所敏器件的结构如图所示。为避免底座上测示。为避免底座上测量电极量电极2、3之间因吸之间因吸湿和污染而引起的漏湿和污染而引起的漏电，在其周围设置了电，在其周围设置了隔离环。隔离环。1234护 圈电 极感 湿陶 瓷氧 化钌 电极加热器基板隔离环电极引线加热器引出线13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻 电极材料选用电极材料选
48、用RuO2，这是因为，这是因为RuO2电极具电极具有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面，有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面，同时同时RuO2的热膨胀系数与陶瓷体一致，附着力的热膨胀系数与陶瓷体一致，附着力也比较好。另外，也比较好。另外，RuO2化学性能稳定。电极的化学性能稳定。电极的制作方法是将制作方法是将RuO2浆料用丝网印刷方法印刷在浆料用丝网印刷方法印刷在陶瓷体的两个表面上，在陶瓷体的两个表面上，在800 下烧结下烧结15分钟，分钟，然后焊接出然后焊接出Pt- -Ir引线。引线。13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻 湿度传感器裸露在大气中工作，在使
49、用过程湿度传感器裸露在大气中工作，在使用过程中不可避免地要吸附一部分油污和有害气体，这中不可避免地要吸附一部分油污和有害气体，这会使传感器的灵敏度大大下降，甚至失效。为使会使传感器的灵敏度大大下降，甚至失效。为使传感器再生复原以便重复使用，在陶瓷感湿体的传感器再生复原以便重复使用，在陶瓷感湿体的周围设置一个加热器。加热温度为周围设置一个加热器。加热温度为450 ，加热，加热时间为时间为1分钟。为保证传感器的测量精度，需要分钟。为保证传感器的测量精度，需要对湿度传感器对湿度传感器定时进行加热清洗定时进行加热清洗。13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻 ( (1) )感
50、湿特性感湿特性 MgCr2O4- -TiO2系陶瓷湿度传系陶瓷湿度传感器的电阻感器的电阻湿度特性如图所示。湿度特性如图所示。13. .4. .3 几种典型半导瓷湿敏电阻几种典型半导瓷湿敏电阻 ( (2) )感湿温度系数感湿温度系数 图图示为电阻示为电阻温度特性。各温度特性。各条曲线的变化规律基本一条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，为致，具有负温度系数，为 0.38 %RH/ /。如果要。如果要精确测量湿度，需进行温精确测量湿度，需进行温度补偿。度补偿。04080100103相 对湿度/%RH602010410510610810720 Co40 Co60 Co80 Co电阻13. .4.
