1、2019/9/4,1,第八章 湿度传感器,一、简介 二、湿度及湿度传感器 三、电解质系湿度传感器 四、半导体及陶瓷湿度传感器 五、有机物及高分子聚合物湿度传感器 六、湿度传感器的应用及发展动向,2019/9/4,2,一、简介,湿度测量技术 湿度测量技术发展已有200多年历史 人们对湿敏元件的认识是从1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl湿敏元件才开始的，从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。,2019/9/4,3,湿度检测的重要性,湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。 目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此
2、湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。 由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。,2019/9/4,4,二、湿度及湿度传感器,1、湿度及其表示方法 2、湿度传感器及其特性参数 3、湿度传感器的分类,2019/9/4,5,1、湿度及其表示方法,在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。 大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。 大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。,2019/9/4,6,、绝对温度,绝对湿度表示单位体
3、积空气里所含水汽的质量，其表达式为:,式中： 被测空气的绝对湿度 MV一被测空气中水汽的质量 V 被测空气的体积,2019/9/4,7,、相对湿度,相对湿度是气体的绝对湿度(V)与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为RH其表达式为 相对湿度= (V /W)100%RH 根据道尔顿分压定律，空气中压强PPa十PV(Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状态方程，通过变换又可将相对湿度用分压表示： 相对湿度 (PV /PW)100% RH； 式中：PV一待测气体的水汽分压； Pw一 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。,2019/9/4,8,2、湿度传感器及其特性参数,
4、湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。 主要特性参数有： 湿度量程 感湿特征量 灵敏度 湿度温度系数 响应时间 湿滞回线和湿滞回差,2019/9/4,9,、湿度量程,保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。 湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0100RH的全量程。,2019/9/4,10,、感湿特征量 相对湿度特性曲线,每一种湿敏元件都有其感湿特征量， 如电阻、电容、电压、频率等。,2019/9/4,11,感湿特性曲线,湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件
5、的感湿特征量 相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。,2019/9/4,12,感湿特性曲线的斜率,人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。 斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。,2019/9/4,13,二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线,2019/9/4,14,PI湿度传感器湿度特性图,2019/9/4,15,、灵敏度,定义：湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当 反映相对于环境湿度的变化、元件感湿特征量的变化程度。 表示法：直线的斜率。 因此，它应当是湿致元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的
6、情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。 然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。,2019/9/4,16,普遍采用的灵敏度的方法,目前虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。例如日本生产的MgCr2O4TiO2湿敏元件的灵敏度用一组电阻比R1%R20%，R1%R40%，R1%R60%，R1%R80%及R1%R100%表示，其中R1%， R20%， R40%， R60%，R80%及R100%
7、 分别为相对湿度在1，20，40，60，80及100时湿敏元件的电阻值之比。,2019/9/4,17,、湿度温度系数,湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。 在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。 湿敏元件的湿度温度系数定义为；在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。 由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。,2019/9/4,18,MgCr2O4TiO2 湿敏元件的温度特性,2019/9/4,19,、响应时间,响应时间反映湿敏元件在相对湿
8、度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。 一般规定：响应相对湿度变化量的63.2时所需要的时间为响应时间。 在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好。,2019/9/4,20,K2O一Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线,2019/9/4,21,、湿滞回线和湿滞回差,各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象,2019/9/4,22,Mn3O4- TiO2湿敏器件 在80时的湿滞回线,湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。 湿
9、滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。 人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。,2019/9/4,23,一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数,使用寿命长，长期稳定性好 灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好 使用范围宽，湿度温度系数小 响应时间短 湿滞回差小 能在有害气氛的恶劣环境中使用 器件的一致性和互换性好，易于批量生产 器件感湿特征量应在易测范围以内,2019/9/4,24,三、电解质系湿度传感器,无机电解质湿度传感器 高分子电解质湿度传感器,2019/9/4,25,1、 无机电解质湿度传感器,典型的是氯化锂湿敏元件,2019/9/4,26,氯化锂湿敏元件敏感机理,氯化锂是典型
10、的离子晶体。氯化锂溶液中的Li和Cl是以正、负离子形式存在。 当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分而使其电离程度提高，导电能力增强，从而使氯化锂湿敏元件电阻降低；反之，环境相对湿度变低氯化锂将释放出部分水分而使其电离程度下降，导电能力下降，其电阻上升；所以用氯化锂湿敏元件可实现对相对湿度的测量（个人理解，与p310理解角度不同）。 P310：不挥发盐（加氯化锂）溶解于水，降低了水的蒸气压，同时盐的浓度降低，电阻率增加(水的蒸气压越低，盐的浓度越低，电阻率越高相对湿度越小，电阻越高）。,2019/9/4,27,、登莫(Dunmore)式,工 艺 登莫式传感器是在聚苯乙烯圆
11、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，设法将氯化锂含量不同的几种传感器组合使用，使其检测范围能达到(20一90)的相对湿度。,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上的铝丝。,2019/9/4,28,氯化锂湿敏特性曲线,2019/9/4,29,、浸渍式（1）,浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。在基片上浸渍氯化锂溶液。 这种方式与登莫式不同，它部分地避免了高湿度下所产生的湿敏膜的误差。由于
12、采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。 它适应于微小空间的湿度检测。,2019/9/4,30,、光硬化树脂电解质湿敏元件,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、助膜剂曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。 它可在80温度下使用，并且有较好助耐水性，不怕“冲蚀”，从而提高了元件的性能。,2019/9/4,31,2019/9/4,32,四、高分子电解质湿度传感器,、聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件 、有机季铵盐高分子电解质湿敏元件 、聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件,2019/9/4,33,、聚苯乙烯磺
13、酸锂湿敏元件,此类元件是用聚苯乙烯作为基片，其表面用硫酸进行磺化处理，引入磺酸基团(-SO4H-)，形成具有共价键结合的磁化聚苯乙烯亲水层。 为了提高湿敏元件的感湿特性，再引入氯化锂溶液中，通过离子交换Li置换出磺酸基团中的氢离子H，形成磺酸锂感湿层，最后，在感湿层表面再印刷上多孔性电极。,2019/9/4,34,在整个相对湿度范围内元件均在感湿特性，并且其阻值与相对湿度的关系在对数坐标上基本为一直线。实验证明，元件的感湿特性与基片表面的磺化时间密切相关，亦即与亲水性的离子交换树脂的性能有关。 元件的湿滞回差亦较理想，在阻值相同的情况下，吸湿和脱湿时湿度指示的最大差值为(34)RH。,2019
14、/9/4,35,对湿敏元件进行抗水浸性能的试验(水浸两小时)结果如图所示，水浸后元件阻值略有提高，在低湿段较为明显。,2019/9/4,36,温度特性,2019/9/4,37,2019/9/4,38,、有机季铵盐高分子电解质湿敏元件,该类高分子湿度传感器的感湿材料即是含有氯化季铵盐的高分子聚合物丙烯酸酯，该材料是一种离子导电的高分子材料。,2019/9/4,39,有机季铵盐高分子 电解质湿敏元件感湿原理,其感湿原理为：大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，电阻值的变化与相对湿度的变化成指数关系。,2019/9/4,40,有机季铵盐高分子电解质 湿敏元件的主要
15、参数,2019/9/4,41,、聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件,聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆加有交联剂的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯磺酸铵交联、聚合，形成体形高分子，再加保护膜，形成具有复膜结构的感湿元件。 该元件测湿范围为(30100)RH；温度系数为-0.6%RH；具有优良的耐水性，耐烟草性，一致性好。,2019/9/4,42,五、半导体及陶瓷湿度传感器,按其制作工艺分类： 有涂覆膜型、烧结体型、厚膜型 薄膜型及MOS型等。 涂覆膜型 烧结体型 薄膜型,2019/9/4,43,1、涂覆膜型,此类湿度敏感元件是把感湿粉料(金属氧化物)调浆，涂覆在已制好
16、的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上。 四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。 其中比较典型是性能较好的是四氧化三铁湿敏元件。,2019/9/4,44,涂覆膜型Fe 3O4湿敏元件,工艺： 一般采用滑石瓷作为元件的基片。在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状金电极。将纯净的黑色Fe 3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。,2019/9/4,45,Fe 3O4湿敏元件构造,2019/9/4,46,Fe 3O4湿敏元件湿度湿滞曲线,示出了涂覆膜型Fe 3O4 湿敏元件的湿滞曲线。元件的湿滞现象在高湿较为明显
17、、最大湿滞回差约为土4%RH，可以满足民用的要求.,2019/9/4,47,Fe 3O4湿敏元件的响应时间,2019/9/4,48,2、烧结体型,工艺 特点 代表性产品,2019/9/4,49,工 艺,这类元件的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的。即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等,用压力轧膜，流延或注浆等方法成型，然后在适合的烧成条件下，于规定的温度和气氛下烧成，待冷却清洗，检选合格产品送去被复电极，装好引线后，就可得到满意的陶瓷湿敏元件。,2019/9/4,50,特 点,这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。
18、,2019/9/4,51,代表性产品,这是一类十分有发展前途的湿敏元件，其中较为成熟，且具有代表性的是：铬酸镁一二氧化钛(MgCr2O4TiO2)陶瓷湿敏元件，五氧化二钒一二氧化钛(V 2O5TiO2)陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH) 2)陶瓷湿敏元件及氧化锌一三氧化二铬(ZnOCr2O3)陶瓷湿敏元件等。,2019/9/4,52,、 MgCr2O4TiO2陶瓷温敏元件(MCT型),在MgCr2O4TiO2陶瓷片的两面,设置高孔金电极，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(又称Kathal加热器)，以便对元
19、件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。,2019/9/4,53,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之间由于吸湿和沾污而引起的漏电在电极2和3的四周设置了金短路环.,2019/9/4,54,MgCr2O4TiO2半导体陶瓷湿敏元件感湿机理,感湿机理(一般认为)是：利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿使电极间电阻值随相对湿度成指数变化。,2019/9/4,55,MgCr2O4TiO2湿敏元件感湿特性及特点,体积小，测湿范围宽，一片即可测(1100)RH，并可用于高温环境(150)，最高承受温度可达600； 能用电热反复进行清洗除掉吸附在陶瓷
20、上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其它污染物，以保持精度不变； 响应速度快(一般不超过20s)； 长期稳定性好。,该类湿敏元件的特点,2019/9/4,56, 、五氧化二钒一二氧化钛(V 2O5TiO2)陶瓷湿敏元件,V 2O5TiO2 陶瓷湿敏元件系陶瓷多孔质烧结体，是利用体积吸附水汽现象的湿敏元件、元件内部的两根白金丝电极包埋在线圈内，通过测定电极间的电阻检测湿度。 这类元件的特点是：测湿范围宽，能够耐高温，响应时间短； 缺点是这类元件容易发生漂移，漂移量与相对湿度成比例。,2019/9/4,57,、羟基磷灰石陶瓷湿敏元件,羟基磷灰石陶瓷湿敏元件是国外研究得比较多的磷灰石系陶瓷湿敏元件。 羟
21、基的存在有利于提高元件的长期稳定性 当在54RH和100RH湿度下，以每5min加热30s(450)的周期进行4000次热循环试验后，其误差仅为3.5RH,2019/9/4,58,、氧化锌-三氧化二铬陶瓷湿敏元件,上面介绍的几种烧结型陶瓷湿敏元件均需要加热清洗去污。这样在通电加热及加热后，延时冷却这段时间内元件不能使用，因此，测湿是断续的。这在某些场合下是不允许的； 为此、国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件； ZnOCr2O3陶瓷湿敏元件就是其中的一种。 特点： 该湿敏元件的电阻率几乎不随温度改变，老化现象很小，长期使用后电阻率变化只有百分之几； 元件的响应速度快，(0一100)RH时，约
22、10s； 湿度变化土20时，响应时间仅2s； 吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。,2019/9/4,59,3、薄膜型,、氧化铝薄膜湿敏元件 、钽电容敏感元件,2019/9/4,60, 、氧化铝薄膜湿敏元件,特点：电容式 该湿敏元件测湿的原理主要是多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸气，从而改变了其本身的介电常数，这样由三氧化二铝做电介质构成的电容器的电容值，将随空气中水蒸气分压而变化。测量电容位，即可得出空气的相对湿度。 优点：体积小，工作温度范围宽(从-111+20及从+20 +60)，元件响应快,在低湿下灵敏度高，没有“冲蚀”； 缺点：对污染敏感而影响精度，高湿时精度较差，工艺复杂，老化严
23、重，稳定性较差。采用等离子法制作的元件，稳定性有所提高，但尚待进一步在应用中考核。,2019/9/4,61,氧化铝薄膜湿敏湿度传感器,多孔导电层A是用蒸发金膜制成的对面电极,它能使水蒸汽浸透氧化铝层 B为湿敏部分 C为绝缘层(高分子绝缘膜)； D为导线。,2019/9/4,62,、钽电容敏感元件,目前以钽为基础的湿敏元件在有腐蚀剂和氧化剂的环境中使用时，都不能保证长期稳定性。 但以钽作为基片，利用阳极氧化法形成氧化钽多孔薄膜是一种介电常数高、电特性和化学特性较稳定的薄膜。以此薄膜制成电容式湿敏元件可大大提高元件的长期稳定性。 电容式湿敏元件就是采用氧化物为感湿材料的。 制作工艺：它是在钽丝上阳
24、极氧化一层氧化钽薄膜；膜上还有一层含防水剂的二氧化锰层，做为一对电极的导电层：考虑到对油烟、灰尘等应用环境的适应性，还装有活性炭纸过滤器，使之适于测量腐蚀件气体的湿度。,2019/9/4,63,五、有机物及高分子聚合物湿度传感器,1、胀缩性有机物湿敏元件 2、高分子聚合物薄膜湿敏元件,2019/9/4,64,1、胀缩性有机物湿敏元件,有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。 这一类湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件（后面介绍）等。,2019/9/4,65,、碳湿敏元件,碳湿敏元件采
25、用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素(HEC)。 工艺：羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，采用涂刷导银漆或真空镀金、化学淀积等方法，在基片两长边的边缘上形成金属电极，然后，再在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。 经老化、标定后即可使用。,2019/9/4,66,、等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件,用等离子聚合法聚合的聚苯乙烯因有亲水的极性基团。随环境湿度大小而吸湿或脱湿而引起介电常数的改变。 制作方法：在玻璃基片上镀上一层铝薄膜作为下电极，用等离子聚合法在铝膜上镀一层(0.05m)聚苯乙烯作为电容器的
26、电介质再在其上层多孔金膜做为上电极 该类元件的特点是 测湿范围宽有的可覆盖全湿范围； 使用温度范围宽，有的可达-40一十150； 响应速度快，有的小于1s； 尺寸小可用于狭小空间的测湿； 温度系数小，有的可忽略不计。,2019/9/4,67,、醋酸纤维有机膜湿敏元件,电容式湿敏元件的感湿材料即是醋酸纤维。 制作工艺：在玻璃基片上蒸发梳状金电极，作为下电极将醋酸纤维按一定比例溶解于丙酮、乙醇(或乙醚)溶液中配成感湿溶液然后通过浸渍或涂覆的方法，在基片上附着一层(0.5m)感湿膜再用蒸发工艺制成上电极，其厚度为20m左右。 这种湿敏元件响应速度快，重复性能好，由于是有机物，所以在有机溶剂环境下使用
27、时有被溶解的缺点。最适宜的工作温度范围为0一80,2019/9/4,68,醋酸纤维有机膜湿敏元件 主要技术特性,2019/9/4,69,、聚酰亚胺湿度传感器结构,2019/9/4,70,聚酰亚胺湿度变送电路,2019/9/4,71,、毛发湿度计,据说最初的毛发湿度计是达芬奇(Leonard da Vinci)用羊毛或人的头发制成。 原理：当相对湿度由0%变为100%时，人的头发伸长约2.5%，通过杠杆将这种伸长进行放大，从而转动指针，读出湿度,2019/9/4,72,六、湿度传感器的应用及发展动向,应用举例 自动气象站湿度测报原理图 自动去湿装置 发展方向,2019/9/4,73,自动气象站湿
28、度测报原理,图中的R-f变换器将传感器送来的电阻阻值变为相应的频率f，再经自校器控制使频率数与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自动记录仪上；如需要远距离数据传输，则还需要将得到的数字量编码，调制到无线电载波上发射出去。,氧化锂传感器,Rf 变换,电子门及记录仪,温度自校,自校信号,2019/9/4,74,自动去湿装置,H为湿敏传感器，RL为加热电阻丝，BGl和BG2接成施密特触发器， BG2 的集电极负载为继电器线圈。BG1的基极回路电阻是R1、R2和H的等效电阻RP。,2019/9/4,75,在常温常湿情况下调好各电阻值使BGl导通，和BG2 截止。 当阴雨等使环境湿度增大而导致湿敏电阻H的阻值下降达到某值时，R2与H并联之阻值小到不足以维持BGl导通， BGl截止而使BG2导通，其负载继电器J通电，J的常开触点闭合，加热电阻丝通电加热，驱散湿气。 当湿度减小到一定程度时，施密持电路又翻转到初始状态BGl导通， BG2截止，常开触点断开，RL断电停止加热，从而实现了防湿自动控制。,2019/9/4,76,湿度传感器的发展方向,根据工业自动化微机控制的需要，提出了湿度传感器微型化、集成化、廉价的发展方向。 国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发以适合各种情况下的测湿和达到人们所希望的各种要求。,
