ch12 湿敏传感器及其应用课件

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（0~100）%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,ΔT为一个温度(25°C)与另一规定环境温度之差;H1为温度为25°C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。湿敏传感器水分子亲和力型湿敏传感器电阻式湿敏传感器陶瓷式湿敏传感器电容式湿敏传感器电解质湿敏传感器非水分子亲和力型湿敏传感器热敏电阻式湿敏传感器红外线式湿敏传感器微波式湿敏传感器超声波式湿敏传感器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。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而制成的测湿元件。结构如图所示,由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂是离子晶体。高浓度氯化锂溶液，Li与CL以正负离子形式存在。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。登莫式氯化锂湿敏传感器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。图12.3为湿敏特性曲线。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浸渍式氯化锂湿敏传感器是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成。由于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，适应于微小空间的湿度检测。在玻璃带上浸有氯化锂溶液的浸渍式湿敏传感器如图所示。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。

图

为硒蒸发膜湿度传感器的结构,在绝缘瓷管表面上镀一层铂膜,然后以细螺距将铂膜刻成宽约0.1cm的螺旋状,以此作为两个电极。在两个电极之间蒸发上硒,A为铂电极,B为硒蒸发膜层。图8.34为硒蒸发膜湿度传感器的电阻-湿度特性。由于这种传感器不使用吸湿性盐和固定剂,所以能够在高温下长期连续使用。

硒蒸发膜湿度传感器的结构

硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系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。半导体陶瓷湿敏器件,在对湿度的测量方面,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。

1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较典型且性能较好的是Fe3O4湿度敏感器件。一般来说,像Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的材料。同时,Fe3O4比其它金属氧化物材料具有比较低的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4做湿敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。

把氯化铁和氯化亚铁按2∶1的比例加水混合成溶液,然后加进NaOH,这时就沉淀出黑色Fe3O4。用纯水洗去杂质,可做成质量很好的Fe3O4胶体。这类器件的特点是物理特性和化学特性比较稳定,结构、工艺简单,测湿量程宽,重复性和一致性较好,寿命长,成本低等。Fe3O4和Al2O3湿度敏感器件材料就属于涂覆膜型湿度敏感器件材料。除此之外,作为涂覆膜型湿度敏感器件材料的还有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。

Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系

2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件目前,从各国湿度传感器的产量中可以看出,约有50%以上是烧结型的,而厚膜和薄膜各占15%到20%。以不同的金属氧化物为原料,通过典型的陶瓷工艺制成了品种繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其性能也各有优劣。多孔质烧结型陶瓷MgCrO4-TiO2湿敏器件的结构如图所示。

烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构图中1、4是加热器引出线。电极材料选用RuO2,这是因为所制成的RuO2电极具有多孔性,允许水分子通过电极到达陶瓷表面,同时RuO2的热膨胀系数与陶瓷体相一致,附着力也比较好。另外,RuO2化学性能稳定。MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性(a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性

3）厚膜陶瓷湿度传感器厚膜湿度传感器主体部分结构如图所示,是在氧化铝基片上印刷梳状电极,梳状电极相互交错排列并成平行线。

厚膜湿度传感器主体部分结构图

传感器的电阻值与温度、湿度的关系,在常温下,相对湿度大于30%RH时,电阻值小于1MΩ,当湿度从30%RH变化到90%RH时,电阻值约变化三个数量级。温度对电阻-湿度特性有影响,低湿时影响较大,相对湿度不变的情况下,随着温度升高,电阻值变小。

4）薄膜湿度传感器薄膜湿度传感器的结构一般有两种形式,一种是在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上沉积一层氧化物薄膜,然后在薄膜上再蒸发一对梳状电极;另一种是先在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上,用真空蒸发方法制作下金电极,再用喷镀法或溅射法生成一层多孔质的氧化物薄膜,然后再在此薄膜上蒸发上金电极,为了让水蒸气顺利通过,金的厚度在70nm左右。薄膜湿度传感器的结构如图所示。薄膜湿度传感器的结构Ta2O5薄膜湿度传感器的电容-湿度特性

制作薄膜湿度传感器的主要薄膜材料是Ta2O5和Al2O3。它们都具有很高的热稳定性和化学稳定性,因此用它们制成的湿度传感器能在很高的环境温度下工作。感湿膜很薄,响应时间很快（约1~3s）,特别适宜在高速湿度响应场合下使用。薄膜湿度传感器的感湿特征量往往都采用电容量,由于纯水的介电常数比较大,当环境相对湿度增加时,薄膜湿度传感器所吸附的水分子增多,因而使电容量增大。图8.40是Ta2O5薄膜湿度传感器的电容—湿度特性。它具有正电容湿度系数。3．MOSFET湿敏器件用半导体工艺制成的MOS型场效应管湿敏器件,由于是全固态湿敏传感器,有利于传感

器的集成化和微型化,因此是一种很有前途和价值的湿度传感器。图12-20表示MOS型场效应管湿敏器件的典型结构。从图中看出,这种湿敏器件是在MOS型场效应管的栅极上涂覆一层感湿薄膜,在感湿薄膜上增加另一电极而构成的新型湿敏器件。

MOSFET湿敏器件结构4．结型湿敏器件利用肖特基结或PN结二极管的反向电流或者反向击穿电压随环境相对湿度的变化,可以制成一种结型湿度敏感器件。在结型湿度敏感器件中,二氧化锡湿敏二极管是比较有代表性的。这种二极管是采用电阻率为5Ω·cm的N型硅单晶材料制作的。制作过程为：将硅片置于通氧和水汽的、温度达520℃左右的石英管道炉中,使其生成一层SiO2,再在SiO2上淀积一层透明而又导电的SnO2薄膜,最后在硅片的背面和SnO2层上用真空镀膜方法制作金属Al电极。

电极膜的厚度不宜太厚,以便SnO2表面和空气中的水蒸气相接触,理想的厚度为100左右。SnO2具有很好的导电性,因而这种结构的二极管可看作是一个肖特基结或异质结,具有整流特性。上述二极管的结区直接暴露于环境气氛之中,结果发现,在二极管处于反向偏压状态时,在雪崩击穿区附近,其反向电流直接与环境的相对湿度有关,或者说,其反向击穿电压随环境相对湿度而改变,即使二极管具有了感湿特性。图8.44表示二氧化锡湿敏二极管的结构。图

为SnO2湿敏二极管雪崩电流与相对湿度的关系。从图中看出,随着相对湿度增加,反向电流减少。

SnO2湿敏二极管的结构

SnO2湿敏二极管雪崩电流与相对湿度关系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、控制与报警应用领域使用设备使用温度、湿度范围备注温度℃湿度