ch12湿敏传感器及其应用.ppt

第12章 湿敏传感器及其应用,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。 绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的绝对含量或者浓度或者密度, 一般用符号AH表示。 相对湿度是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比, 一般用符号RH表示。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。 ,12.1 湿敏传感器概述,一、湿度概念及其表示 湿度是指大气中的水蒸气含量. 在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使用绝对湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。 在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度：,mV：为待测混合气体中所含水蒸气的质量； V：为待测混合气体的总体积； PV：为待测混合气体的绝对湿度，其单位为g/m3,为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前,普遍用相对湿度（缩写为RH）来表示湿度。 所谓相对湿度是指气体的绝对湿度（PV）与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:,保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到 饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为。,二、 湿度传感器的主要参数 1.湿度量程 能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围称为湿度量程。湿度范围用相对湿度（0100）%RH表示。 量程是湿度传感器工作性能的一项重要指标。,2. 感湿特征量-相对湿度特性曲线 每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、电压、频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线,称为相对湿度特性曲线,简称感湿特性曲线。 通常希望特性曲线应当在全量程上是连续的且呈线性关系。 有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为正特性湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称为负特性湿敏传感器。,3.感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿度传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度,简称灵敏度,又称湿度系数。 感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度。 如果湿度传感器的特性曲线是线性的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的;如果湿度传感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大小就与其工作的相对湿度范围有关。,4.温度系数 温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特征。感湿特征量随环境温度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。温度系数分为特征量温度系数和感湿温度系数。 在环境湿度保持恒定的情况下,湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比,称为特征量温度系数。如感湿特征量是电阻,则电阻温度系数为,电阻温度系数（%/C）,感湿温度系数（%RH/C）,式中,T为一个温度(25C)与另一规定环境温度之差;H1为温度为25C时湿度传感器的某一电阻值对应的相对湿度值;H2为另一规定环境温度下,湿度传感器的同一电阻值对应的另一相对湿度值。,5.响应时间 在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感湿特征量之值达到稳态变化量的规定比例所需要的时间称为响应时间,也称为时间常数。 一般是以相应于起始和终止这一相对湿度变化区间63%的相对湿度变化所需要的时间,叫响应时间,单位是s, 也有规定从始到终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。,6.湿滞回线 湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。 由于吸湿和脱湿特性曲线不重合,对应同一感湿特征量之值,相对湿度之差称为湿滞量。湿滞量越小越好,以免给湿度测量带来难度和误差。,7.电压特性 用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引起感湿体内水分子的电解,致使电导率随时间的增加而下降,故测试电压应采用交流电压。 湿度传感器感湿特征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特性。 当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的特性会带来较大影响。,8.频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。 在各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试频率而变化,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上限。当然,为防止水分子的电解,测试电压频率也不能太低。,9.其它特性与参数 精度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度的相对误差。 工作温度范围表示湿度传感器能连续工作的环境温度范围,它应由极限温度来决定,即由在额定功率条件下,能够连续工作的最高环境温度和最低环境温度所决定。 稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中,能保持原有性能的能力。一般用相对湿度的年变化率表示,即%RH/年。 寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度,能够连续工作的最长时间。,三、湿敏传感器分类,湿敏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装置。 能够用来制造湿度传感器的吸湿物质必须满足湿度-电阻（或电容）特性可逆这一基本条件，同时应当具有良好的重复性。 常用类型：机械式湿敏传感器及电子式湿敏传感器。 电子式有电介质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等多种。机械式的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不够高，而且是非电信号的湿度测量，难以同电子电路和自动控制系统及仪器相联结。,根据水分子易于吸附在固体湿敏元件表面并渗透到固体内部的特性可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型,12.2 电解质湿敏传感器,电解质湿敏传感器的湿敏元件主要包括潮解性盐元件、非溶性盐薄膜元件和采用离子交换树脂元件，即包括无机电解质和高分子电解质湿敏传感器两大类。,氯化锂是离子晶体。溶液中离子导电能力与溶液浓度有关。溶液的电导率随着溶液浓度的增高而下降。,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, 其溶液电导率增高，阻值下降。 反之, 环境相对湿度变低时, 则溶液浓度升高, 其电导率下降, 阻值升高。从而实现对湿度的测量。 一般氯化锂湿敏电阻呈负阻特性。,1、氯化锂电解质湿敏传感器,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制成的测湿元件。由引线、 基片、 感湿层与电极组成。,2、高分子电解质湿敏传感器,利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的。 虽然这类元件的感湿膜是高分子聚合物，但是真正起到吸湿导电作用的敏感物质是电解质。,当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间凝聚呈液态水状态。 在低湿吸附量少的情况下，由于没有电离子产生，电阻值很高； 当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子（H+）及水和氢离子（H3O+）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，传感器的电阻急剧下降。 利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。,12.4 半导体湿度传感器,1.元素半导体湿敏器件 在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿性的元素半导体薄膜,可形成湿敏电阻器。湿敏传感器就是利用上述湿敏电阻器的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化的现象制成的。 通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件。 锗的蒸发膜厚度适用于高湿度的测量。 锗的湿敏器件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比较精确的测量结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化需要较长时间,并且器件的重复性差。,利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。 一般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸发膜的湿敏器件电阻值低,被测湿度范围较大,但它也有和锗膜湿敏器件同样的需要较长老化时间的缺点。,2. 金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件 金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗沾污的特点,逐渐被人们所重视,相继出现了各种半导体陶瓷湿敏器件。 半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境下使用几万小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。 在对湿度的测量方面,半导体陶瓷湿敏器件可以检测1%RH这样的低湿状态,而且还具有响应快、精度高、使用温度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗等各种优点。所以,半导体陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件的生产和应用中占有很重要的地位。,金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同可分为两大类: 一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微粒堆积体称为陶瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器件,一般称为涂覆膜型湿度敏感器件。 另一类陶瓷材料是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成具有典型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶瓷材料。它们共同的特点是多孔状的多晶烧结体。因此,有时也将它们称为烧结型陶瓷材料。,12.5 湿敏传感器的应用,湿敏传感器广泛应用于军事、气象、工业、农业、医疗、建筑以及家用电器等场合的湿度检测、控制与报警,1、直读式湿度计,图中RH为氯化锂湿敏传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为2501000Hz。电桥的输出经变压器T2，3耦合到VT3，经VT3放大后的信号，经VD1VD4桥式整流后，输入给微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。,2、微波炉湿度检测控制