湿敏传感器综述.doc

湿敏传感器特点及应用作者 704 班级 电科1401 学号 c7在国家经济发展越来越快速的时代中，人们生活质量明显提高，对环境的温度与湿度标准越来越关注与重视。随之，我国相关部门针对温度测量以及湿度测量更进一步研究，并结合多次试验研发出新型的湿度传感器，并已经被广泛应用于各领域中。由于环境湿度参数测量难度较高，要想达到一定的精标准要求，必须要做到合理湿度控制。本文对湿度表示方法进行了一定的概括和总结，指出不同湿度测量方式各自的优缺点。并对电阻式湿敏传感器，陶瓷湿敏传感器，电容式湿敏传感器进行了论述，以说明其各自的特性，让使用者可以更加准确的使用湿敏传感器。2016年3月，根据Narimani和Nayeri在关于传感器和执行机构的文献中描述，基于氧化锌纳米材料的电容式湿度传感器在高温高湿条件下取得较为稳定和快速的湿度检测效果1。2016年6月，根据Guo在关于传感器和材料科学的文献中描述，以石墨烯氧化物为原材料的电容式湿度传感器在恒温密闭仓储环境中取得较为稳定和灵敏的湿度检测效果2。本文在上述研究的基础上，针对人体所处的普通室内环境，利用直流电源、可变电阻、湿敏电容和时基电路等器件设计通用小型高精度湿度传感器系统，并在通风环境下（T=25），对室内湿度变化进行快速和高精度的检测，从而达到有效调节室内温湿度的控制目的。章丹等人32017年提出了一种新型柔性电容式湿度传感器。该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP)作为衬底,金属铜(Cu)作为叉指电极,聚酰亚胺(PI)作为湿度传感器的湿敏介质。LCP衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性。该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点。最后说明HS1101湿度传感器4在实际生活中的使用方法，并分析它的工作原理，最终绘出工作电路。1 湿度及其表示湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。1. 绝对湿度所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为 (1)式中，mV为待测空气中水蒸气质量，V为待测空气的总体积。单位为g/m3。2. 相对湿度相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw）和同温度下饱和水蒸气的分压（PN）的百分比，即 (2)通常，用RH表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。目前应用最多的是相对湿度。3. 露点温度温度高的气体，含水蒸气越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100% ，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。2 湿敏传感器的种类2.1 电阻式湿敏传感器电阻式湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性随温度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。湿敏元件一般是在绝缘基底上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层湿敏物质而制成的。在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。常用的电阻式湿敏传感器为在玻璃带上浸有氯化锂溶液的湿敏元件。它的基片材料为无碱玻璃带。元件的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化。这种通过测定电阻，便可知道相对湿度。由于电阻与湿度的变化只在一定的湿度范围内成线性关系。为了扩大湿度测量范围，可以将几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合起来使用。氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。2.2 陶瓷湿敏传感器陶瓷湿敏传感器是一种新型传感器。金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两类。在离子型湿敏元件中，由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用而呈现出H+，是元件的电导率增加。这类传感器组要有两种：一种以Fe2O3及K2CO3为主要成分，另一种以ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。电子型湿敏元件是利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变的原理制成。元件的电导率增加还是减少，取决于氧化物半导体是N型还是P型。陶瓷湿敏传感器的优点有：耐高温，湿度滞后小，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差。2.3 电容式湿敏传感器电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度变化而变化的薄片状电容器。由吸湿性电介质材料构成的薄片状电容式湿敏传感器具有线性较好、温度系数小、响应时间快;与传统IC、半导体以及硅工艺相兼容等特点,从而受到生产者与使用者的青睐。电容式湿度传感器结构,即电容平行板上下电极中间加一层感湿薄膜,其电极材料可为铝、金、铬等金属、感湿膜可为半导体氧化物或者高分子材料等制作而成,电极形状与感湿膜形状的不同选择使得此类电容式湿度传感器性能各异。由于高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于的变化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比，但在设计和制作工艺中很难做到感湿特性全湿程线性。电容式湿度传感器还与环境温度有关，它的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。因此要精确的测量湿度还要考虑温度对传感器的影响，必要时需要对传感器进行温度补偿。电容式湿度传感器的优缺点：它的测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。除电阻式、陶瓷型、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。3 一种湿度传感器的应用HS1101是一款电容式相对湿度传感器。该传感器可广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室、和工业过程控制系统等，对空气湿度进行检测。与其他产品相比，有着显著的优点:(1) 无需校准的完全互换性；(2) 长期饱和状态，瞬间脱湿；(3) 适应自动装配过程，包括波峰焊接、回流焊接等；(4) 具有高可靠性和长期稳定性：(5) 特有的固态聚合物结构；(6) 适用于线性电压输出和线性频率输出两种电路；3.1 湿敏电容HS1101的输入输出特性分析如图2所示，经试验测定，当环境湿度RH（t）0%,99%时，湿敏电容HS1101的电容值CRH（t）163pF,199pF，显然CRH（t）与RH（t）成正比。湿敏电容HS1101作为湿度传感器RHS01的核心器件，其具有湿度测量范围较宽、温漂效应较小、平均灵敏度较高和反应快速等优点5。（1）HS1101具有较宽的测湿范围，即：测湿范围WRH0%,99%；（2）当环境温度T-10,60时，HS1101能正常工作，且其温漂效应Tcc0.02pF/,0.06pF/，即：当环境温度T上升或下降1时，HS1101的电容值平均飘移0.04pF；（3）当环境温度T-10,60，且湿度RH（t）30%,80%时，HS1101的平均灵敏度C/%RH0.28pF/%RH,0.44pF/%RH，即：当环境湿度RH（t）上升或下降1%时，HS1101电容值平均变化0.36pF，实际上当环境相对湿度RH（t）高于80%时，HS1101的灵敏度会有所下降。以上试验测定的参数说明传感部件HS1101具有较高的灵敏度和较快的反应速度，适合用作温湿度控制系统的传感器使用。图1：HS1101湿度与电容曲线图图2：HS1101湿度传感器电路图3.2 测量原理与方法HS1101湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。用555集成电路组成振荡电路，HS1101湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换。HS1101湿敏传感器是采用侧面开放式封装，只有两个引脚有线性电压输出和线性频率输出两种电路。在使用时，将2脚接地，这里选用频率输出电路。该传感器采用电容构成材料，不允许直流方式供电所以我们使用555定时器电路组成单稳态电路。具体电路结构如图。测湿电路利用一片CMOS定时器TLC555，配上HS1101和电阻R2、R4构成单稳态电路将相对湿度值变化转换成频率信号输出。输出频率范围是73516033Hz，所对应的相对湿度为0100。当RH=55时，f=6660Hz。输出的频率信号可送至数字频率计或控制系统，经处理后送显示。通电后电流沿着UccR4R2C对HS1101充电经过t1时间后湿敏电容的电压Uc就被充电到TLC555的高触发电平，使内部比较器翻转。OUT端的输出变成低电平。然后C开始放电，放电回路为CR2D内部放电管地。经过t2时间后，Uc降到低触发电平(U1=O.33Ucc)，内部比较器再次翻转，使OUT端的输出变成高电平。这样周而复始的进行充、放电，形成了振荡。充电、放电时间计算公式分别为： (3) (4)输出波形的频率(f)和占空比(D)的计算公式如下： (5) (6)湿度传感器只是保证传感探头的精度，在实际使用中，综合精度除了与湿度传感器本身元件有关，还与外围电路的器件选择相关。为了与HS1101温度系数相匹配，R1数值应取为1精度，且最大温漂不超过100ppm(ppm：百万分之一，表示当温度变化1所对应的电阻相对变化量)。3.2 RHS01的信号检测与变换过程湿度传感器RHS01的信号检测与变换过程如图3所示，RHS01的输入信号为环境相对湿度RH（t）0%,99%。由于湿敏电容HS1101的电容值CRH（t）与相对湿度RH（t）成正比，因此将CRH（t）视为湿度传感器RHS01电路的中间变量。RHS01的输出信号为U0（t）的频率F（t）7365Hz,6033Hz，并且F（t）与电容值CRH（t）成反比6。图3 湿度传感器RHS01的信号检测与变换过程3.3 软件设计功能软件设计主要完成对HS1101在单位时间内的频率测量。软件设计采用端口扫描方式，间隔8S开始测量测量时间为1S。统计单位时间内脉冲的个数，与湿度表对照，确定湿度值的范围，并将湿度值通过LCD显示。为了保证测量精度，可以取3次以上测量数据，求平均值后，作为最终送显示数据。由于HS1101采用独特的电容式单元设计，具有响应速度快、体积小、线性度好、较稳定等优点，我们将HS1101用在智能家居控制系统中，完成对空气湿度的测量，经长期应用，性能达到了稳定可靠，同时也实现了对低成本的要求。4 总结近年来，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、智能产品化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿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。但是目前湿度传感器在长期稳定性方面还存在一些问题7，为此人们为了研制出有长期可靠性的传感器，而宁可在测量精度、湿度和温度特性、响应时间、形状和尺寸等方面作出一些牺牲。总之，随着科学技术的发展，要求湿度传感器向微型化和集成化方向发展，同时要求传感器抗污染、长寿命，对环境湿度的控制将更加精确。因此，随着工业、农业、国防、科技及整个国民经济的迅猛发展，对环境湿度的控制和检测越来越受到人们的重视，市场需求也越来越大。参考文献：1Narimani K, Nayeri F D, et al. Fabrication, modeling and simulation of high sensitivity capacitive humidity sensors based on ZnO nanorodsJ. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 224(3): 338-343.2Guo R, Tang W, et al. High sensitivity and fast response graphene oxide capacitive humidity sensor with computer-aided J. Computational Materials Science, 2016, 111(1): 289- 2933章丹,黄见秋,王立峰.基于LCP衬底的柔性湿度传感器研究（英文）J.传感技术学报,2017,30(10):1478-1482.4冷芳,裴洲奇.基于湿敏电容HS1101的环境湿度传感器RHS01的设计J.焦作大学学报,2017,31(02):73-75.5A s co