7.3濕敏傳感器

濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度：指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH表示。相對濕度：氣體的絕對濕度與在同一溫度下，水蒸汽已達(dá)到飽和的氣體的絕對濕度之比，常表示為％RH。其表達(dá)式為：相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個(gè)無量綱的量，在實(shí)際使用中多使用相對濕度這一概念。露點(diǎn)（溫度）在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時(shí)，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，這一特定溫度就稱為露點(diǎn)溫度，相對濕度為100％RH。如果這一溫度低于0℃時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。濕敏傳感器的定義

濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。

主要由兩個(gè)部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補(bǔ)償、輸出顯示設(shè)備等

一個(gè)理想的濕敏傳感器應(yīng)具備的性能使用壽命長，穩(wěn)定性好靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)小使用范圍寬，測量精度高響應(yīng)迅速濕滯回差小，重現(xiàn)性好能在惡劣環(huán)境中使用，抗腐蝕、耐低溫和高溫等特性好器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低器件感濕特征量應(yīng)在易測范圍內(nèi)濕敏傳感器的主要參數(shù)及特性

感濕特性濕度量程靈敏度濕滯特性響應(yīng)時(shí)間感濕溫度系數(shù)老化特性

感濕特性

每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡稱阻濕特性。

有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2－SnO2陶瓷濕敏電阻器。濕度量程指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度(0～100)％RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。感濕靈敏度簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1％RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。各種不同的濕度傳感器，對靈敏度的要求各不相同，對于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭?dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。

濕滯特性

感濕溫度系數(shù)

反映濕度傳感器溫度特性的一個(gè)比較直觀、實(shí)用的物理量。它表示在兩個(gè)規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻值(或電容值)達(dá)到相等時(shí)，其對應(yīng)的相對濕度之差與兩個(gè)規(guī)定的溫度變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù)?；颦h(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。感濕溫度系數(shù)

ΔT——溫度25℃與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；H1——溫度25℃時(shí)濕度傳感器某一電阻值(或電容值)對應(yīng)的相對濕度值；

H2——另一規(guī)定環(huán)境溫度下濕度傳感器另一電阻值(或電容值)對應(yīng)的相對濕度。(%RH/℃)=響應(yīng)時(shí)間在一定溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間的63％作為相對濕度變化所需要的時(shí)間，也稱時(shí)間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對濕度發(fā)生變化時(shí)，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90％的相對濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

濕敏傳感器的分類

界限電流式濕敏傳感器濕敏傳感器電阻式電容式其它電解質(zhì)式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纖濕敏傳感器二極管式、石英振子、SAW式、微波式、熱導(dǎo)式等

濕敏傳感器在精密儀器、半導(dǎo)體集成電路與元器件制造場所，氣象預(yù)報(bào)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。電阻式濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來進(jìn)行工作的，其感濕特征量為電阻值。根據(jù)使用感濕材料的不同，電阻式濕敏傳感器可分為：

電解質(zhì)式

陶瓷式

高分子式7.3.1電解質(zhì)式（氯化鋰）濕敏電阻電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對濕度的函數(shù)。氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成，如圖7-33所示。

圖7-33濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖

氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li＋對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場中，若環(huán)境相對濕度高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時(shí)，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實(shí)現(xiàn)對濕度的測量。氯化鋰濕敏元件的電阻—濕度特性曲線如圖7-34所示。

圖7-34氯化鋰濕度—電阻特性曲線

由圖可知，在50%~80%相對濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度的變化成線性關(guān)系。為了擴(kuò)大濕度測量的線性范圍，可以將多個(gè)氯化鋰（LiCl）含量不同的器件組合使用，如將測量范圍分別為（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH和（80%～99%）RH五種器件配合使用，就可自動(dòng)地轉(zhuǎn)換完成整個(gè)濕度范圍的濕度測量。

氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)：滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測精度高達(dá)±５%缺點(diǎn)：耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

通常，用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷(以下簡稱半導(dǎo)瓷)。

1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理

由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電

如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，其表面層的電阻下降若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)體陶瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降圖7-35幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特性

2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時(shí)，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時(shí)仍以電子導(dǎo)電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總電阻值的明顯升高。圖7-36Fe3O4半導(dǎo)瓷的正濕敏特性

3.典型半導(dǎo)瓷濕敏元件（1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān),相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好.圖7-37MgCr2O4-TiO2陶瓷結(jié)構(gòu):在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。金電極與引出線燒結(jié)在一起，為了減少測量誤差，在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。整個(gè)器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑—銥合金。

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器濕度傳感器的結(jié)構(gòu)相對濕度與電阻的關(guān)系

主要特性與性能

（1）電阻一濕度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對數(shù)的坐標(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對濕度由0變?yōu)?00％RH時(shí)，阻值從107Ω下降到104Ω，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。20406080100103104105106107108相對濕度/%R/Ω電阻—溫度特性下圖是在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻—溫度特性。從圖可見，從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為–0.38％RH／℃。如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

20406080100103104105106107108相對濕度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻—溫度特性MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于10s。穩(wěn)定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器，需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn)(大氣中，溫度150℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn)(濕度大于95％RH，溫度60℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；常溫常濕試驗(yàn)[濕度(10～90)％RH，溫度(–10℃～＋40℃)]；油氣循環(huán)試驗(yàn)(油蒸氣?加熱清洗循環(huán)25萬次，交流電壓5V)。經(jīng)過以上各種試驗(yàn)，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明穩(wěn)定性比較好。

（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件

ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定，其結(jié)構(gòu)如圖7-39所示。

ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，而無須加熱除污裝置，因此功耗低于0.5Ｗ，體積小，成本低，是一種常用測濕傳感器。

陶瓷式電阻濕敏傳感器的特點(diǎn)

測濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；傳感器表面與水蒸氣的接觸面積大，易于水蒸氣的吸收與脫卻；陶瓷燒結(jié)體能耐高溫，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800℃.抗污染能力強(qiáng),適合采用加熱去污的方法恢復(fù)材料的濕敏特性；可以通過調(diào)整燒結(jié)體表面晶粒、晶粒界和細(xì)微氣孔的構(gòu)造，改善傳感器濕敏特性。響應(yīng)時(shí)間較短，精度高;工藝簡單，成本低廉。

濕度傳感器的測量電路

（一）檢測電路的選擇

1、電源選擇

一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會(huì)劣化甚至失效。電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會(huì)被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會(huì)把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準(zhǔn)確性。

2．溫度補(bǔ)償濕度傳感器具有正或負(fù)的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)大小不一，工作溫區(qū)有寬有窄。所以要考慮溫度補(bǔ)償問題。對于半導(dǎo)體陶瓷傳感器，其電阻與溫度的的關(guān)系一般為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通常其溫度關(guān)系屬于NTC型，即H：相對濕度；T：絕對溫度；R0：在T=0℃相對濕度H=0時(shí)的阻值；A：濕度常數(shù)；B：溫度常數(shù)。溫度系數(shù)＝濕度系數(shù)＝濕度溫度系數(shù)＝若傳感器的濕度溫度系數(shù)為0.07％RH/℃，工作溫度差為30℃，測量誤差為0.21％RH/℃，則不必考慮溫度補(bǔ)償；若濕度溫度系數(shù)為0.4％RH/℃，則引起12％RH/℃的誤差,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3．線性化

濕度傳感器的感濕特征量與相對濕度之間的關(guān)系不是線性的，這給濕度的測量、控制和補(bǔ)償帶來了困難。需要通過一種變換使感濕特征量與相對濕度之間的關(guān)系線性化。下圖為濕度傳感器測量電路原理框圖。

A2A1A3A4A5A6++__濕敏元件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W濕度傳感器測量電路原理框圖D1振蕩器放大電路傳感器驅(qū)動(dòng)電路整流電路對數(shù)溫補(bǔ)電路

（二）典型電路

電阻式濕度傳感器，其測量電路主要有兩種形式:

1．電橋電路振蕩器對電路提供交流電源。電橋的一臂為濕度傳感器，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號(hào)輸出，放大器可把不平衡信號(hào)加以放大，整流器將交流信號(hào)變成直流信號(hào)，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。振蕩器電橋放大器橋式整流電表指示直流電源9V濕度傳感器電橋測濕電路框圖100kΩ傳感器濕度3AX3╳210kΩ100kΩ╳63DG62kΩ2kΩ2.2kΩ9V10μF10μF20μF10μF20μF3kΩ╳2U10μF51kΩ51kΩ100mA便攜式濕度計(jì)的實(shí)際電路

2．歐姆定律電路此電路適用于可以流經(jīng)較大電流的陶瓷濕度傳感器。由于測濕電路可以獲得較強(qiáng)信號(hào)，故可以省去電橋和放大器，可以用市電作為電源，只要用降壓變壓器即可。其電路圖如圖。

歐姆定律電路~220V22kΩ51kΩ3V2AP9╳4輸入Rd插口0.05μF╳2

3．帶溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量電路

在實(shí)際應(yīng)