西北大传感器原理与应用讲义第6章 湿敏传感器

13)温度下水的饱和蒸气压差值就越小。当温度下降到某一温度2利用电导率与湿度的关系作成电阻型湿度传系，SrTiO3系，La2O3-TiO2-V2O5系，ZrO2-Y2O3系等。给一对电极间夹有某种物质，当它吸附水蒸气时，使电极间电容量发生透光量随湿度而改变的光纤湿度传感器；在H2O-N2气氛下稳定化ZrO2限界3配料：将TiO2、SnO2按一定摩尔比配料，掺入适量的Ta2O5或Sb2O5、V2O52.TiO2—V2O5陶瓷湿敏元件45.MgCr2O4—TiO2系MgCr2O4—TiO2半导体陶瓷的电阻率随温度的升高而按指数函数关系下B/T用温度系数αT来反映湿度传感器的温度特性。即BT_2R=RT0eB/T_B/T5为消除温度影响，使Rs=R，信号电压经跟随器、整流、AB输出RRRsRRm423R1:湿敏元件(热敏电阻)R2:温度补偿元件(热敏元件)Rm:输出回路电阻输出输出(mV)87654340C时2100102030405060绝对湿度(gm)60～200℃32mA(40℃)另一类是利用高分子聚合物在结露点附近具有显著的体积胀缩特性的湿利用导电性高分子在湿度不同时吸附水不同电离产生的导电离子从而显示感湿特性的高分子结构效应型，即高分子对水蒸汽的物理吸附作用7相对湿度（%）104C在氧化铝基板上制作梳状电极，覆盖一层以感湿性高分子为主体的感湿感湿膜8膜在低湿时，感湿膜处于收缩状态，导电微粉浓度值较低。湿度增加，感湿膜吸收的水分增多，导电相应增加。在高湿区出现结露时，感湿膜吸湿量大结露时，其阻值可骤增2～3个数量级。9R2DT湿敏敏在低湿度范围内，首先化学吸附，随着湿度的增加开始形成笫一物铝下电极铝下电极理想结构示意图S2`S3`S4`d`a（a）低湿度单层吸附示意图（b）高湿度多层吸附示意图孔壁金膜上电极r0drC0Cl细孔电容是与相对湿度(ρ相=pv/pw×100%RH）成正比变化。VVBB5湿度（RH%）式中：ε0为真空介电常数；εu为相对湿度U%RH时高分子的介电常数；Su=r+aWuH2OWu=b(p/p0)=bu/100下电极基片下电极基片感湿膜引线上电极C(pF)C(pF)加湿减湿RH(%)Vaisala湿度传感器特性:传感器示值（HMP-35）传感器示值（HMP-L08）标准湿度发生器示值C(pF)43%VS57VDCC漏电流(VCC=5V)I1SS§6.4其它类型湿度传感器温度传惑器电当射频信号传到以油水混合介质的电容式射频传感器时U/mV纯油介质纯水介质U/mV纯油介质纯水介质051015f/MHz500400300200100U高频信号源C介质R光纤传感器优点是可以在易燃、易爆、有毒、强化学腐蚀的恶劣环境下新型湿敏材料TiO2/V2O5薄膜具有湿敏光学特性，是由TiO2、V2O5两种可见，吸收系数随着电导率的增加而减少，即透过率随着电导率的增加6.4.3新型界限电流式高温湿采用二氧化锆固体电解质的新型界限电流式氧传感器，具有优良的耐温利用二氧化锆陶瓷氧泵作用原理进行工作的，即利用了在阴极一侧所形成加电压的增加而增大，达到某一恒定值，该恒定电流值称为在该氧浓度时的置于含水蒸汽的环境中就能测量到很显著的第二界限电流值。由于在高温气氛下水分子的分解会导致与氧含量有关的界限电流值的改变，可有效测定第一台阶干燥空气的I1值和含有水蒸汽的第二台阶I2值分别与氧分压和含H2O+2e-→H2+O2-O2-+2e-→H2+O2-按照传感器的气体扩散孔限制Ficks散系数相等的情况下，第一界限电流I1I2=[-4FDSP/(RTL)][1+PH2O/(2Po2)]Po2=0.21(P-PH2O)式中：F为法拉第常数；D为混合气体分为混合气体总压强；Po2是氧分压强；30020030020080%RHI-100UA70%RHAln-Si(5ΩcmAln-Si(5Ωcm)SnOSiO22(CH3)2SnCl2十O2→SnO2+2CH3Cl新型的MOS场效应管湿敏器件，即MOSFET湿敏器件。140180si02层厚度(n100140180si02层厚度(n湿敏器件的等效电路图:施加一个直流电压V0和一个交流电压U0于上栅电极，上栅极和下栅极用一个足够大的电阻RB连接起来。其输出电压V出与膜的电容CS有:V出=U0RLgm/(1+Ci/Cs)SDVOUTCIH3605采用SIP封装形式---SysteminaPackage将一个包含逻辑组件、内存组件，甚至包含被动组件的「系统」，整合在一个单位中。SoC是站在设计的角度出发，目的在将一个系统所需的组件，整合于一芯片上；而SiP则是由封装">封装的立场发展，将不同功能的芯片整合于一电子构装中。SiP(Multi-chipModule；MCM)的平面式2D封装，也可再利用3D封装的结构，以有效缩减封装面积；而其内部接合技术可以是单纯的打线接合(WireBonding)，亦可使用覆晶接合(FlipChip)，但也可二者混用(参见图一)。物由发展的IH3605的输出电压与相对湿度计算出25℃温度条件下相对湿度值VOUT=VDC（0.0062RH0+0.16）其中，VDC为供电电压值（2）进行温度补偿，计算出RH=RH0/（1.0546-0.00216t）前的温度值(℃)。R温度探头D2采用DALLAS公司的全数字式测温集成电路DS1820，由P10读入温度值，在单片机内将读到的湿度值进行温度校正，得到实际的相对湿§6.5湿度传感器的应用举例PFIPFOPPFIPFOP33P12P13P14P13P145当温度超过100℃时利用陶瓷湿度传感器，但不用相对湿度5544DAT890205l加热清洗装置。如，在低湿条件下以数小时为周期加热清洗，在高湿条件下用于幅度变化范围较大的传感器，如高分子湿度传感器、阻值变化呈指数函数对于电阻变化幅度较小的传感器，可用电阻来监控电流，进行非线性校湿度传感器电阻RX的变化所产生的输出电压VOUT变化，可用电阻RA、V将湿度传感器作为振荡电路中的一个元件，根据有无振荡与频率变化，采用理想二极管的整流电路：可把湿度变化转换为20k直线关系。∴要采取放大倍数随输入值变化的放大电路，使其输出与输入关直线关系。∴要采取放大倍数随输入值变化的放大电路，使其输出与输入关3R3湿度/电压转换原理电R2则等效电阻与时钟频率f和电容C乘积的倒数成比例，即为适当设定V1值，当湿度为0%RH时，可使V0=0。湿度/电压转换实用电路如图:湿度/电压转换电路对于湿度为0%～100%RH时，输出电压为0～1V。AA14A13A14A13A这就相当于一个时钟脉冲与在湿敏电容中蓄积的电荷成比例，即与电容调整RP1（10kΩ),使湿度为5%RH时，输出信号频率为50Hz；再调整RP2（20kΩ),使湿度为90%RH时，输出信号频率为900Hz。湿度为0~47(PF47(PF-5V13142、T1等组成测湿电桥的电源RR5RP+5.1KVT3AX31VT3AX31RAR5.1K51KR8R9T2+C3R6C25604RHVD1-VD42AP9C4VTC33DG61R+R82531电桥的输出经变压器T2、C3，耦合到VT3放大后，通过VDl∽VD4桥式整流，输由石英湿度传感器、R1、R2、R3、RPl、C2和补偿环节VD1、C1、R4等组成5一个自动平衡电桥。由VT1、VT2等组成放大器，其输入和输出间通过未平衡的电桥连接起来，使放大器产生自激振荡。L1和C5组成振荡回路调谐在石英当空气的相对湿度变化时石英振荡器的等效电阻改变，平衡增大，电容C7上的电压随之改变，由于C7经电阻R12同补偿环节VDl、C1、R4连接，当C7上的电压加到补偿环节时，补偿环节的阻抗恢复到原先的电桥不平衡时的数值。放大器输出端经整流后的电压经电阻R13加到电流表上，电指在刻线的最终位置；当接入传感器时，由于石英振子被激励产生振荡，指针发生偏移的刻度，与空气相对湿度大小有关，可利用人造气候条件和干湿C2VD3+VD14.7μC1RP168KVT1VT23DG6VD4VT3VD2RHR1T220V68KVT1-VT3当环境湿度增大时，RH阻值减小，电阻R1两端电压会升高。经VD2加到由VT1和VT2组成的施密特电路中，使VT1导通，VT2截止，VT3导通，发光高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿触发IClb构成的单稳电路，单稳输出的脉冲宽度正比于湿度传感器CH的电容此平均电压加到IC3比较器的同相输入端，当该电压高于反相输入端电压时，IC4输出高电平，使VT1导通，继电器K工作，其触点K1闭合RR和VT2接成施密特触发电路，在VT1基极接由Rl、R2和湿度传感器电阻RH组成的在常温常湿下RH阻值较大，VT1导通，其中电热丝和结露传感器安装在玻璃镜子的背面，用导线将它们和控制VT1和VT2组成施密特电路。汽车为低电位，VT3和VT4截止，双向晶闸管VS的控制极无电流通过。如湿度增加使B阻值增大到50kΩ时，VT1导通，VT2截止，VT3和VT4均导通。此时晶闸管VS控制极有控制电流、导通，电流流过加热丝RL加热。随镜面温度逐步升高,水汽被蒸发从而使镜面恢复清晰。加热的同时指示灯VD2点亮。调节R1的阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。控土壤的电阻值与其湿度有关，潮湿的土壤电阻仅有几百欧姆，干燥时土壤电阻可增大到数十千欧姆以上，因此，可以利用土壤电阻值的变化来判断图中由IC1a