湿度传感器的分类及特性

长江工程职业技术学院自动化教研室课题一湿度传感器的分类及特性任务目标★熟悉湿度的表示方法和湿度传感器的主要特性；★熟悉半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子湿度传感器的基本结构，掌握其感湿特性。长江工程职业技术学院自动化教研室一、湿度传感器概述湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换为电信号的装置，现代化的工农业生产及科学实验对空气湿度的重视程度日益提高，要求也越来越高，如果湿度不能满足要求，将会造成不同程度的不良后果。长江工程职业技术学院自动化教研室1．湿度的表示方法狭义的湿度是指空气中水汽的含量，常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）等来表示。（1）绝对湿度绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度，其数学表达式为vaMHV（3-1）式中Mv——待测气体中水蒸气的质量；V——待测气体的总体积；Ha——待测气体的绝对湿度，单位为g/m3。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）相对湿度相对湿度为待测气体中的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为VW100%PRHP（3-2）式中PV——某温度下待测气体的水蒸气压；PW——与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压；RH——相对湿度，单位为%RH。长江工程职业技术学院自动化教研室饱和水蒸气压与气体的温度和气体的压力有关。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气压变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也会发生变化，温度越高，饱和水蒸气压越大。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。凡谈到相对湿度，必须同时说明环境温度，否则，所说的相对湿度就失去确定的意义。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）露点水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100％RH。该温度称为空气的露点温度，简称露点。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。长江工程职业技术学院自动化教研室2．湿度传感器的主要特性（1）感湿特性感湿特性为湿度传感器的感湿特征量（如电阻、电容、频率等）随环境湿度变化的规律，常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图3-1所示。图3-1湿敏元件的感湿特性曲线按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲线和负特性曲线。性能良好的湿度传感器，要求在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性变化，其斜率大小要适中。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）湿度量程湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围称为湿度量程。一般来说，使用时不得超过湿度量程规定值。所以在应用中，希望湿度传感器的湿度量程越大越好，以0%~100%RH为最佳。湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于70%RH的场合；低湿型适用于相对湿度小于40%RH场合；而全湿型则适用于0%~100%RH的场合。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）灵敏度灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时，湿度传感器的感湿特征量的变化值，也就是该湿度传感器感湿特性曲线的斜率。由于大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的，在不同的湿度范围内具有不同的斜率，因此常用湿度传感器在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示其灵敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下的电阻值与在10%RH下的电阻值之比。长江工程职业技术学院自动化教研室（4）响应时间当环境湿度增大时，湿敏器件有一吸湿过程，并产生感湿特征量的变化。而当环境湿度减小时，为检测当前湿度，湿敏器件原先所吸的湿度要消除，这一过程称为脱湿。所以用湿敏器件检测湿度时，湿敏器件将随之发生吸湿和脱湿过程。在一定环境温度下，当环境湿度改变时，湿敏传感器完成吸湿过程或脱湿过程（感湿特征量达到稳定值的规定比例）过程所需要的时间，称为响应时间。感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以实际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的90%所需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间90%的相对湿度变化所需的时间来计算。长江工程职业技术学院自动化教研室（5）感湿温度系数湿度传感器除对环境湿度敏感外，对温度也十分敏感。湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温度下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，如图3-2所示。图3-2湿敏元件的温度特性湿度传感器的感湿温度系数定义为：湿度传感器在感湿特征量恒定的条件下，当温度变化时，其对应相对湿度将发生变化，这两个变化量之比（参见式（3-3）），称为感湿温度系数。（3-3）长江工程职业技术学院自动化教研室显然，湿度传感器感湿特性曲线随温度的变化越大，由感湿特征量所表示的环境湿度与实际的环境湿度之间的误差就越大，即感湿温度系数越大。因此，环境温度的不同将直接影响湿度传感器的测量误差。故在环境温度变化比较大的地方测量湿度时，必须进行修正或外接补偿。湿度传感器的感湿温度系数越小越好。传感器的感湿温度系数越小，在使用中受环境温度的影响也就越小，传感器就越实用。一般湿度传感器的感湿温度系数在0.2~0.8%RH/℃。长江工程职业技术学院自动化教研室图3-3湿度传感器的湿滞特性（6）湿滞特性一般情况下，湿度传感器不仅在吸湿和脱湿两种情况下的响应时间有所不同（大多数湿敏器件的脱湿响应时间大于吸湿响应时间），而且其感湿特性曲线也不重合。在吸湿和脱湿时，两种感湿特性曲线形成一个环形线，称为湿滞回线。湿度传感器这一特性称为湿滞特性，如图3-3所示。湿滞回差表示在湿滞回线上，同一感湿特征量值下，吸湿和脱湿两种感湿特性曲线所对应的两湿度的最大差值。在电阻为X值时，ΔRH=RHH-RHL，显然湿度传感器的湿滞回差越小越好。长江工程职业技术学院自动化教研室（7）老化特性老化特性为湿度传感器在一定温度、湿度环境下，存放一定时间后，由于尘土、油污、有害气体等的影响，其感湿特性将发生变化的特性。（8）互换性湿度传感器的一致性和互换性差。当使用中湿度传感器被损坏，那么有时即使换上同一型号的传感器也需要再次进行调试。长江工程职业技术学院自动化教研室综上所述，一个理想的湿度传感器应具备以下性能和参数：①使用寿命长，长期稳定性好。②灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好。③使用范围宽，感湿温度系数小。④响应时间短。⑤湿滞回差小，测量精度高。⑥能在有害气氛的恶劣环境下使用。⑦器件的一致性、互换性好，易于批量生产，成本低。⑧器件的感湿特征量应在易测范围以内。长江工程职业技术学院自动化教研室二、湿度传感器的分类及工作原理湿度传感器种类很多，没有统一分类标准。按探测功能来分，可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露型；按传感器的输出信号来分，可分为电阻型、电容型和电抗型，电阻型最多，电抗型最少；按湿敏元件工作机理来分，又分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型两大类，其中水分子亲和力型应用更广泛；按材料来分，可分为陶瓷型、有机高分子型、半导体型和电解质型等。下面按材料分类分别加以介绍。长江工程职业技术学院自动化教研室1．半导体陶瓷湿度传感器陶瓷湿度传感器具有很多优点，主要如下：测湿范围宽，基本上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℃；响应时间短，多孔陶瓷的表面积大，易于吸湿和脱湿；湿滞小、抗沾污、可高温清洗和灵敏度高，稳定性好等。长江工程职业技术学院自动化教研室半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为：烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。陶瓷湿度传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2（铬酸镁-二氧化钛）系、ZnO-Cr2O3（氧化锌-三氧化二铬）系、ZrO2（二氧化锆）系、Al2O3（三氧化铝）系、TiO2-V2O5（二氧化钛-五氧化二钒）系和Fe3O4（四氧化三铁）系等。它们的感湿特征量大多数为电阻，除Fe3O4系外，都为负特性湿敏传感器，即随着环境湿度的增加电阻值降低。下面介绍其典型品种。长江工程职业技术学院自动化教研室半导体陶瓷湿度传感器长江工程职业技术学院自动化教研室（1）MgCr2O4-TiO2系湿度传感器MgCr2O4-TiO2系湿度传感器为烧结型，其结构如图3-4所示。图3-4MgCr2O4-TiO2系湿度传感器结构长江工程职业技术学院自动化教研室制作方法：以MgCr2O4为基础材料，加入适量的TiO2，在1300℃左右烧结而成，然后切割成所需薄片，在MgCr2O4-TiO2陶瓷薄片两面涂覆氧化钌（RuO2）多孔电极，并于800℃下烧结，制成感湿体，电极与引出线烧结在一起，引线为Pt-Ir（铂-铱）丝。在感湿体外设置由镍铬丝烧制而成的加热清洗线圈，此线圈的作用主要是通过加热排除附着在感湿片上的有害物质（如水分、油污、有机物和灰尘等），以恢复对水汽的吸附能力。常用450℃每分钟的条件对陶瓷表面进行热清洗。长江工程职业技术学院自动化教研室MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线如图3-5所示，该湿度传感器的特点是体积小、感湿灵敏度适中，电阻率低，阻值随相对湿度的变化特性好，测量范围宽，可测量0~100%RH，响应速度快，响应时间可小至几秒。图3-5MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线长江工程职业技术学院自动化教研室（2）硅MOS型Al2O3湿度传感器Al2O3湿度传感器根据湿敏元件制作方法不同，可分为多孔Al2O3湿度传感器、涂覆膜状Al2O3湿度传感器和MOS型湿度传感器。下面介绍硅MOS型湿度传感器。图3-6硅MOS型Al2O3湿度传感器的结构MOS型湿度传感器具有响应速度快、化学稳定性好及耐高低温冲击的性能。长江工程职业技术学院自动化教研室2．高分子湿度传感器高分子湿度传感器包括高分子电解质薄膜湿度传感器、高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器、结露传感器和石英振动式传感器等，下面分别加以介绍。（1）高分子电阻式湿度传感器这种传感器的湿敏层为可导电的高分子，强电解质，具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生电离子，所以电阻值较高；当相对湿度增加时，吸附量也增大。高分子电解质吸水后电离，正负离子对主要起到载流子作用，使高分子湿度传感器的电阻下降。吸湿量不同，高分子介质的阻值也不同，根据阻值变化可测量相对湿度。长江工程职业技术学院自动化教研室高分子湿度传感器外形图长江工程职业技术学院自动化教研室（2）高分子电容式湿度传感器图3-7为高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构，它是在洁净的玻璃基片上，蒸镀一层极薄（50nm）的梳状金质，作为下部电极，然后在其上薄薄地涂上一层高分子聚合物（1nm），干燥后，再在其上蒸镀一层多孔透水的金质作为上部电极，两极间形成电容，最后上下电极焊接引线，就制成了电容式高分子薄膜湿度传感器。图3-7高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构长江工程职业技术学院自动化教研室当高分子聚合物介质吸湿后，元件的介电常数随环境相对湿度的变化而变化，从而引起电容量的变化。由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸湿和脱湿，故该类传感器有滞后小和响应速度快等特点。（3）结露传感器结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它与一般的湿度传感器不同之处在于它对低湿不敏感，仅对高湿敏感，感湿特征量具有开关式变化特性。结露传感器分为电阻型和电容型，目前广泛应用的是电阻型。长江工程职业技术学院自动化教研室结露传感器外形图长江工程职业技术学院自动化教研室电阻型结露传感器是在陶瓷基片上制成梳状电极，在其上涂一层电阻式感湿膜，感湿膜采用掺入碳粉的有机高分子材料，在高湿下，电阻膜吸湿后膨胀，体积增加，碳粉间距变大，引起