第9章-半导体2湿敏.ppt

9.2湿度传感器湿度表示大气中水汽的含量，一般使用两种显示方法：绝对湿度和相对湿度。绝对湿度的定义：在特定温度和压力条件下，单位体积混合气体中包含的水蒸气质量，单位g/m3，表示为符号AH。相对湿度的定义：在与气体绝对湿度相同的温度下达到饱和状态的绝对湿度的百分比，用符号%RH表示。相对湿度为大气中的湿气、无量纲、实际使用提供了更多的相对湿度。湿度传感器是检测外部湿度变化，通过设备材料的物理或化学特性变化将湿度转换为有用信号的设备。湿度检测比其他物理量更难检测。空气中的水蒸气含量比空气少得多。2.液态水溶解了一些高分子材料和电解质材料，一些水分子在电离后溶于水的空气中的杂质和酸性或碱相结合，腐蚀湿度敏感物质，使其老化，使其失去原来的性质。3 .湿信息的传递必须通过水直接接触湿度传感器来完成，因此湿度传感器只能直接暴露在测试的环境中，不能密封。湿度敏感装置的要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，可交换性高，污染和温度影响小。小型化、集成和低成本是湿度传感器的发展方向。9.2.1氯化锂湿度敏感电阻氯化锂湿度电阻是利用吸湿性盐潮解改变离子电导率而产生的湿度测量因素。图9-7湿度敏感电阻结构图，氯化锂一般与聚乙烯醇混合，在氯化锂(LiCl)溶液中，Li和Cl均以正负离子形式存在，Li对水分子有很强的吸引力，离子水合度高，该溶液的离子传导能力与浓度成正比。将溶液放置在特定的温湿场后，如果相对湿度高，溶液会吸收水分，降低浓度，从而提高溶液电阻率。相反，如果环境相对湿度降低，溶液浓度升高，电阻率降低，可以测量湿度。氯化锂湿度-电阻特性曲线，50%80%相对湿度范围内电阻和湿度的变化是线性的。氯化锂湿度传感器的优点是延迟时间小，不受测试环境风速的影响，测试准确度最高可达5%，但其耐热性较差，不能用于露点以下的测量，设备性能重复性不理想，寿命短。9.2.2半导体陶瓷湿度敏感电阻由两个或多个金属氧化物半导体材料混合烧结成为多孔陶瓷。这些材料为ZnO-LiO2-V2O5系列、Si-Na2O-V2O5系列、TiO2-MgO-Cr2O3系列、Fe3O4等。前三种材料的电阻率随湿度的增加而下降，这被称为负特性湿度敏感半导体陶瓷。随着湿度的增加，最后的电阻率增加，称为静态特性湿度敏感半导体陶瓷(以下简称半导体)。1 .负特性湿敏半导电机制在水分子中氢原子具有强正电场，因此当水吸附在半导电陶瓷表面时，可以从半导电陶瓷表面捕获电子，使负电在半导电陶瓷表面流动。如果这种半导电陶瓷是p型半导体的话，水分子吸附会减少表面电位，诱导更多的孔接触表面，从而减少表面层的电阻。这个准度磁为n型的话，水分子的附着会减少表面电位。如果表面电位下降得太多，不仅会耗尽表面层的电子，还会将更多的腔吸引到表面层，到达表面层的腔的浓度可能大于电子浓度，从而产生所谓的表面反转型层，这种孔称为半形电流容量。也可以在表面上移动以表示电导属性。因此，水分子的吸附减少了n型半导电陶瓷材料的表面电阻。p型或n型半导电陶瓷的电阻率表明随着湿度的增加而减少。几种半导电陶瓷湿度负特性，2 .正特性湿度敏感半导电机制正特性湿度敏感半导电陶瓷导电机制分析可以认为这些材料的结构、电子能量状态和负特性材料不同。水分子附着在半导电陶瓷的表面，使电位声学，可以减少其表面层的电子浓度，但还不足以将以电子导电为中心的表面层的孔浓度增加到半形。因此，随着电子的浓度下降，表面电阻增加，这种反导电陶瓷的表面电阻随着湿度的增加而增加。如果粒子间对某种半导电陶瓷的电阻没有比模内电阻大得多，表面层电阻的增加对总电阻影响不大。但是一般来说，湿度敏感半导电陶瓷是多孔的，表面电导占很大比重，因此表面层的电阻提高会大大增加整体电阻。但是晶体内部的低电阻分支仍然存在，因此肯定是正特性半导电陶瓷的总电阻在没有负特性材料的情况下相应减少了。图9-10显示了Fe3O4的正特性半导电陶瓷湿阻电阻和湿度的关系曲线。通过图9-9和图9-10可以看出，随着相对湿度从0%RH变化到100%RH，负特性材料的电阻减少了三个阶段，而正特性材料的电阻增加了约2倍。3 .典型的半导电陶瓷湿度传感器(1)MgCr2O4-TiO2湿度敏感元件镁质复合氧化物二氧化钛湿度传感材料一般采用低电阻率、电阻温度特性好的多孔陶瓷“湿-电”转换装置制造，如图9-11所示。图9-11MgCr2O4-TiO2陶瓷，MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两侧涂有多孔金电极。金电极与铅一起烧结，为了减少测量误差，在陶瓷片外安装镍铬线制成的加热线圈，加热和清洗元件，消除恶劣气氛对元件的污染。整个装置安装在陶瓷基板上，电极引线一般使用铂铱合金。图9-12MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度传感器的结构相对湿度与电阻的关系，(2)ZnO-Cr2O3陶瓷湿度传感器ZnO-Cr2O3湿度传感器的结构将多孔材料的金电极烧结到多孔陶瓷晶片的两个表面，焊接铂引线，然后将敏感元件过滤成网状，ZnO-Cr2O3陶瓷湿度传感器结构，ZnO-Cr2O3传感器是典型的湿度测量传感器，功耗小于0.5瓦，体积小，成本低，无需加热去污装置即可持续稳定地测量湿度。(3)氧化铁(Fe3O4)湿度传感器氧化铁湿度传感器由基板、电极和减湿膜组成，如图9-14所示。Fe3O4湿度传感器结构，滑石瓷基板材料的选择，1011的抛光，低吸水性，高机械强度，稳定的化学性质。制作基板上的一对纺锤形金电极，最后将预先准备的Fe3O4胶体液涂在纺锤形金电极的表面，进行热处理和老化。Fe3O4胶体之间的接触呈凹面，粒子之间的空隙使薄膜多孔，空气相对湿度增加，Fe3O4薄膜具有吸湿性，水分子的附着加强了粒子之间的接触，降低了粒子之间的电阻，增加了更多的过渡路径，因此元素电阻减小了。在干燥环境下薄膜除湿，粒子间接触面减少，元素电阻增加。环境温度不同，涂层薄膜吸附的水分也发生变化，纺锤形金电极之间的电阻发生变化。图9-15和图9-16分别是国内MCS型Fe3O4湿度传感器的电阻-湿度特性和温度-湿度特性。图9-15MCS Fe3O4湿度传感器，图9-16M