1、1湿度传感器研 1207 光学工程 柴雪峰 1208030277第一章 背景和湿度概念 .21.1 背景 .21.2 绝对湿度(AH) .21.3 相对湿度(RH) .3第二章 常用的湿度传感器 .42.1 湿敏元件 .42.1.1 湿敏电阻 .42.1.2 湿敏电容 .42.2 新型湿度传感器 .52.2.1 电解质湿度传感器 .52.2.2 高分子材料湿敏传感器 .62.2.3 半导体陶瓷湿度传感器 .72.2.4 氯化锂湿度传感器 .92.2.5 氧化铝湿度计 .9第三章 光学湿度传感器 .103.1 光学湿敏薄膜材料 .103.1.1 电解质型湿敏材料 .103.1.2 半导体陶瓷材料
2、 .113.1.3 有机物及高分子聚合物湿敏材料 .113.2 湿敏薄膜的制备方法 .123.2.1 真空蒸镀法 .123.2.2 溶胶-凝胶法 .123.2.3 其他方法 .123.3 光学湿敏检测方法 .133.3.1 平面光波导法 .133.3.2 光导纤维法（光纤法） .133.3.3 聚合物光学法 .143.4 光学湿度传感器的最新进展 .143.4.1 光纤法 .153.4.2 光学干涉法 .173.4.3 光学衍射法 .173.4.4 荧光效应 .183.4.5 光学反射法 .193.5 集成湿度传感器 .20第四章 发展趋势 .21参考文献 .232第一章 背景和湿度概念1.1
3、 背景很多行业中，如发电、纺织、食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格。目前，在低温条件下(通常指 100oC 以下)，湿度的测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业。另有许多行业需要在高温环境下测量湿度，如航空航天、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高温实验箱、高炉等场合。这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想。另外，在恶劣条件下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业气体时，将使精度大大降低 1。空气的干湿程度叫做湿度，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理
4、量来表示。通常空气的温度越高，最大湿度就越大。1.2 绝对湿度 (AH)绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，单位是 g/m3，它的极限是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度联系起来才有意义，因为空气中湿度随温度而变化。计算绝对湿度的公式为 VmTRe式中 e-蒸汽压，单位 Pa； -水的气体常数为 46152J/(kgK)；T-温度，单位 K；m-空气中溶解的水的质量，单位 g； V-空气的体积，单位 m3。31.3 相对湿度 (RH)相对湿度是绝对湿度与最高湿度的比值，表示水蒸气的饱和度。相对湿度为 100的空气就是水蒸气饱和的空气。相对湿度同样也与温度联系起来才有意义。通过相
5、对湿度和温度也可以换算出表示温度的其他参数。相对湿度计算如下： %10e%10maxwSsE，式中 -绝对湿度，单位 g/m3； ，max-最高湿度，单位 g/m3；E-饱和RR蒸汽压，单位 Pa；s-比湿，单位 g/kg；S-最高比湿，单位 g/kg。其他同上。早期的湿度测量通常用干湿球湿度计和毛发湿度计。前者原理是水蒸发要吸热降温，而蒸发的快慢(即降温的多少)和当时空气的相对湿度有关，这样浸在于湿球内的两支温度计就表示出与湿度相关的温度差。后者原理是脱脂毛发的伸缩随相对湿度值变化，与毛发相连的指针便可在刻度盘上指示空气相对湿度值。4第二章 常用的湿度传感器随着科技的进步，用干湿球湿度计或毛
6、发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2.1 湿敏元件湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式和电容式两大类。2.1.1 湿敏电阻湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜。当空气中的水蒸气吸
7、附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化。利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等， 湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。2.1.2 湿敏电容湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于5制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有humire
8、l公司、Philips公司、Siemens公司等。以humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是,（1%-99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.04pF/oC ，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。2.
9、2 新型湿度传感器现代意义上的湿度传感器的种类有很多，按所用湿敏材料，主要可以分为三类：电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子聚合物湿度传感器 2-5。2.2.1 电解质湿度传感器如LiCl湿度传感器。LiCl是典型的离子晶体，当其溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂溶液的导电能力将受到水蒸气在空气中的分压作用而加强，即氯化锂湿敏组件电阻降低；反之，环境相对湿度变低，氯化锂溶液的导电能力将下降，其电阻上升。因此用氯化锂湿敏组件可实现对相对湿度的测量。这种传感器将湿度信息转化为容易测量的电信号，使得湿度的测量变得十分简便。其典型结构为登莫(Dunmore)式。如图1所示6
10、图1 登莫式LiCl电解质传感器在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的铝引线作为电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。若只采用一个传感器件，则其检测范围狭窄。因此常将氯化锂含量不同的几种传感器组合使用，其检测范围能达到2090RH。图1中A为用聚苯乙烯包封的铝管；B为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A上的铝电极。另一种典型结构为浸渍式。浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍LiCI溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。在基片上浸渍LiCI溶液。这种结构部分地减少了高湿度下所产生的湿敏膜的误差。由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍L
11、iC1溶液，这种传感器具有小型化的特点，它适用于微小空间的湿度检测。与登莫式传感器一样，若仅用一个这种传感器，所检测的湿度范围狭窄。为了扩大到209ORH ，就必须使用多个不同LiC1溶液浓度的传感器。经过优化，这类传感器的阻值的对数能与相对湿度在2085RH范围内成线性关系。LiC1电解质传感器原理简单，灵敏度高，但在高湿环境中容易产生潮解，从而影响精度，缩短其使用寿命。一种改进的办法是将其制成胶体形式而不是溶液。将树脂、氯化理、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液，浸涂在蒸镀有电极的塑料基片上，干燥后放置在紫外线下曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。它可在80环境下使用，并且有较好的耐水性
12、。为了进一步提高测量精度和范围，LiCI常与多孔SiO 2或其他无机氧化物组成复合材料传感器。72.2.2 高分子材料湿敏传感器如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感器。由于制作传感器的敏感高分子薄膜的材料结构和物理、化学现象非常丰富，对其敏感机理作出恰当的分类是非常困难的。但总体来说，高分子材料的敏感作用都是将材料的物化特性转化为传感器阻抗特性，然后再加以测量。对于非导电性高分子材料，在某些特定条件下，带负电荷的引力中心可以被改变。其绝缘性可以用介电常数描述。由于具有高偶极矩的分子吸附作用，或者由于膨胀，许多高分子材料介电常数会产生可探测的变化。膨胀是一种纯几何效应，它可以由电容值的
13、变化探测到聚酰亚胺湿度传感器应用的就是这种原理。还可将非导电性高分子材料与导电型材料一起构成复合材料应用在传感器上。复合材料电阻的变化是填充物浓度的函数。所有可改变填充物容量(密度)的环境效应，例如由于湿度增加而导致的材料膨胀，会引起电荷通道的减少，相应引起电阻系数的变化。通常使用的填充材料是金属和半导体金属氧化物(V 2O3，TiO 2等)可用的高分子材料有聚乙烯、聚酰亚胺、聚酯类、PVAC、PTFE、聚亚胺脂、PVA、环氧树脂类、丙烯酸类、PMMA其中聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料都被成功地用于湿度和气体传感器。还有一类导电的高分子电解质及聚合高分子电解质，若它们含有离子单体或无机盐，
14、可以表现出导电性，并且其导电性可以通过包括湿度在内的环境参数调节，这样就可以像电解质材料一样用于制作传感器。碱性的盐一聚醚混合物，如PPO和PEO与LiClO 4、LiSCN、聚苯乙烯酯和季铵化PVPY已被成功地用于湿度传感器。这类传感器响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器。82.2.3 半导体陶瓷湿度传感器在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进
15、展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。 考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于1980年研制成称之为“湿瓷-型” 和“湿瓷-型” 的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量
16、湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。如Mg2CrO4-TiO2湿敏传感器以及TiO2-V2O5湿敏传感器它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。以MgCr2O4-TiO2为例说明其典型结构。如图2所示，在MgCr2O4 一TiO2陶瓷片的两面，设置高金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铅丝烧制而成的加热清洗圈，以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。为消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和污染而引起漏电。在电极2和3的四周设置金
17、短路环。9图2 MgCr2O4-TiO2陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相对湿度成指数变化，从而湿度信息转化为电信号。这类元件的可靠性比涂覆元件好，且由于体导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。测湿范围宽，一片即可测1 100RH，并可用于较高温环境(150oC)，最高承受温度可达600 oC；能用电热进行反复清洗，除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其他污染物，以保持精度不变；响应速度快(一般不超过20ns)；稳定性好。类似产品还有V 2 O5-TiO2陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石陶瓷湿敏元件等。使用过程中多需要清洗，并加有补偿电路。国外已研制出不用电
18、热清洗的陶瓷湿敏元件，ZnOCr 2O3陶瓷湿敏元件就是其中的一种。显然，这类传感器适合于高温和高湿环境中使用，也是目前在高温环境中测湿的少数有效传感器之一。除了上述的，还有一些其他的湿度传感器。2.2.4 氯化锂湿度传感器1)电阻式氯化锂湿度计10第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore 研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在 20%RH 以内。例如 0.05%的浓度对应的感湿范围约为(80100)%RH ，0.2%
19、的浓度对应范围是(6080)%RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为 5 个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为(15100)%RH，国外有些产品声称其测量范围可达(2 100)%RH 。2）露点式氯化锂湿度计露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。2.2.5 氧化铝湿度计氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小(例如用于探空仪的湿敏元件仅 90m 厚、12mg 重)，灵敏度高 (测量下限达-110 露点)，响应速度快(一般在 0.3s 到 3s 之间)，测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题.
