湿敏传感器

7.3湿敏传感器湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度：指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度：气体的绝对湿度与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度之比，常表示为％RH。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。露点（温度）•在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，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，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度，相对湿度为100％RH。•如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。湿敏传感器的定义湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等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•灵敏度高，线性度好，温度系数小•使用范围宽，测量精度高•响应迅速•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•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湿敏传感器的主要参数及特性•感湿特性•湿度量程•灵敏度•湿滞特性•响应时间•感湿温度系数•老化特性感湿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。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，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2－SnO2陶瓷湿敏电阻器。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表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。感湿灵敏度简称灵敏度，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。各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。湿滞特性感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温度每变化1℃时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差；H1——温度25℃时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值；H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度。THH21(%RH/℃)=响应时间在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63％作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是s。也有规定从起始到终止90％的相对湿度变化作为响应时间的。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。湿敏传感器的分类界限电流式湿敏传感器湿敏传感器电阻式电容式其它电解质式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等湿敏传感器在精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。电阻式湿敏传感器•电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。•根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为：•电解质式•陶瓷式•高分子式7.3.1电解质式（氯化锂）湿敏电阻电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。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。氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成，如图7-33所示。图7-33湿敏电阻结构示意图12341—引线；2—基片；3—感湿层；4—金电极氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的电阻—湿度特性曲线如图7-34所示。图7-34氯化锂湿度—电阻特性曲线吸附脱附15℃7.06.56.05.55.04.54.0405060708090相对湿度/%RH电阻值的对数/由图可知，在50%~80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂（LiCl）含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH和（80%～99%）RH五种器件配合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±５%缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短半导体陶瓷湿敏电阻通常，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。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。1.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，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，使半导瓷表面带负电如果该半导瓷是Ｐ型半导体，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若该半导瓷为Ｎ型，则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电子浓度，出现所谓表面反型层，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N型半导瓷材料的表面电阻下降不论是Ｎ型还是Ｐ型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降图7-35几种半导瓷湿敏负特性020406080100相对湿度/%RH106105104103电阻/1231—ZnO—LiO2—V2O5系；2—Si—Na2O—V2O5系；3—TiO2—MgO—Cr2O3系2.正特性湿敏半导瓷的导电机理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。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，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，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。图7-36Fe3O4半导瓷的正湿敏特性020406080100相对湿度/%RH80100120140160180200220电阻/3.典型半导瓷湿敏元件（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。它是负特性半导瓷，MgCr2O4为Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好.图7-37MgCr2O4-TiO2陶瓷陶瓷基片固定端子金属电极加热线圈湿敏陶瓷片引线结构:在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂—铱合金。MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度传感器的结构相对湿度与电阻的关系主要特性与性能（1）电阻一湿度特性MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/Ω电阻—温度特性下图是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—温度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。20406080100103104105106107108相对湿度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RHt/s%RH响应时间响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。稳定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：•高温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h)；•高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V，时间104h)；•常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；•油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定，其结构如图7-39所示。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5Ｗ，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。滤网引线树脂固封多孔金电极陶瓷烧结元件塑料外壳陶瓷式电阻湿敏传感器的特点•测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；•传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；•陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，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℃.•抗污染能力强,适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；•可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。•响应时间较短，精度高;•工艺简单，成本低廉。湿度传感器的测量电路（一）检测电路的选择1、电源选择一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层