第八章 电子聚合物基湿度传感器.ppt

1、第八章 电子聚合物基湿度传感器,目 录,一、简介 二、湿度及湿度传感器 三、电子聚合物湿度传感器 四、湿度传感器的应用及发展动向 本章小结,一、简 介,湿度测量技术 湿度测量技术发展已有200多年历史。人们对 湿敏元件的认识是从1938年美国人F.W.Dummore研制 成功浸涂式LiCl湿敏元件开始的。从此以后，已有 几十种湿敏元件及传感器应运而生。,湿度检测的重要性,湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。 目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。 由于对湿度监测不够

2、精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。,二、湿度及湿度传感器,1、湿度及其表示方法 2、湿度传感器及其特性参数 3、湿度传感器的分类,1、湿度及其表示方法,在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。 大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。 大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。, 绝对湿度,绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为:,式中： 被测空气的绝对湿度 MV一被测空气中水汽的质量 V 被测空气的体积,相对湿度是气体的绝对湿度(V)，与在同一温

3、度下水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为RH。其表达式为： 相对湿度 = (V /W)100 %RH 根据道尔顿分压定律，空气中压强PPa十PV（Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状态方程，通过变换，又可将相对湿度用分压表示： 相对湿度(PV /PW)100 %RH 式中：PV- 待测气体的水汽分压； PW- 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。, 相对湿度,露点、露点温度及相对湿度的关系,原理可以叙述为：当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温时，在冷却的过程中，气体和水汽两者的分压力保持不变，直到空气中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点。 如果空气的温度是Ts，露点温

4、度为Td，则湿空气的相对湿度可以通过下式算出：,不同温度时水的饱和水汽压,2、湿度传感器及其特性参数,湿度传感器是指将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。 主要特性参数有： 湿度量程 感湿特征量 灵敏度 湿度温度系数 响应时间 湿滞回线和湿滞回差, 湿度量程,保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。 湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0100RH的全量程。,氯化锂湿敏特性曲线, 感湿特征量 相对湿度特性曲线,每一种湿敏元件都有其感湿特征量， 如电阻、电容、电压、频率等。,感湿特性曲线,湿敏元件的

5、感湿特征量随环境相对湿度变化 的关系曲线，称为该元件的感湿特征量。 相对湿度特性曲线 简称感湿特性曲线,感湿特性曲线的斜率,人们希望特性曲线应当在全量程上是连续 的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。 斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。,二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线,PI湿度传感器湿度特性图,PI湿度变送器输出特性曲线, 灵敏度,定义：湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化、元件感湿特征量的变化程度。 表示法：直线的斜率。 因此，它应当是湿敏元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的

6、斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。 然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的，在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。,普遍采用的灵敏度的方法,目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是，用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。 例如：日本生产的MgCr2O4-TiO2湿敏元件的灵敏度，用一组电阻比R1%R20%，R1%R40%，R1%R60%，R1%R80%及R1%R100%表示，其中R1%，R20%，R40%，R60%，R80%及R100% 分别为相对湿度在1，20，40

7、，60，80及100时湿敏元件的电阻值之比。, 湿度温度系数,湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。 在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。 湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。 由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。,MgCr2O4-TiO2 湿敏元件的温度特性, 响应时间,响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。 一般规定：响应相对湿度变化量的63.2时所需要的时间为响

8、应时间。 在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好。,K2O-Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线, 湿滞回线和湿滞回差,各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各 不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相 同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一 特性为湿滞现象。,Mn3O4- TiO2湿敏器件在80时的湿滞回线,湿滞回线定义：湿滞现象可 以用吸湿和脱湿特征曲线所 构成的回线来表示，我们称 这一回线为湿滞回线。 湿滞回差定义：在湿滞回线 上所表示的最大量差值为湿 滞回差。 人们希望湿敏元件的湿滞回 差越小越好。,一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数,使用寿命长，长期稳定性

9、好； 灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好； 使用范围宽，湿度温度系数小； 响应时间短； 湿滞回差小； 能在有害气氛的恶劣环境中使用； 器件的一致性和互换性好，易于批量生产； 器件感湿特征量应在易测范围以内。,三、电子聚合物湿度传感器,聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件 有机季铵盐高分子电解质湿敏元件 聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件 胀缩性有机物湿敏元件 高分子聚合物薄膜湿敏元件,1. 聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件,此类元件是用聚苯乙烯作为基片，其表面用硫酸进行磺化处 理，引入磺酸基团（-SO4H-），形成具有共价键结合的磁化 聚苯乙烯亲水层。 为了提高湿敏元件的感湿特性，再引入氯化锂溶液，通过离 子交换Li置换出磺酸基团

10、中的氢离子H，形成磺酸锂感湿 层，最后，在感湿层表面再印刷上多孔性电极。,在整个相对湿度范围内元件均有感湿特性，并且其阻值与相对湿度的关系在对数坐标上基本为一直线。实验证明，元件的感湿特性与基片表面的磺化时间密切相关，亦即与亲水性的离子交换树脂的性能有关。 元件的湿滞回差亦较理想，在阻值相同的情况下，吸湿和脱湿时湿度指示的最大差值为（3-4）RH。,对湿敏元件进行抗水浸性能的试验（水浸两小时），结果如图所示。水浸后元件阻值略有提高，在低湿段较为明显。,why?,温度特性,2.有机季铵盐高分子电解质湿敏元件,该类高分子湿度传感器的感湿材料含有 氯化季铵盐的高分子聚合物-丙烯酸酯，该材 料是一种离

11、子导电的高分子材料。,感湿原理为： 大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，其变化与相对湿度的变化成指数关系。,有机季铵盐高分子电解质湿敏元件的主要参数,3. 聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件,聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆有交联剂的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯磺酸铵交联、聚合，形成体形高分子，再加保护膜，形成具有复膜结构的感湿元件。 该元件测湿范围为（30100）RH；温度系数为 -0.6 %RH。具有优良的耐水性、耐烟草性，一致性好。,？梳状电极叉指电极,4.胀缩性有机物湿敏元件,有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。

12、 利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。 这一类湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件等。, 碳湿敏元件,碳湿敏元件采用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素（HEC）。 工艺：羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，采用涂刷导银漆或真空镀金、化学淀积等方法，在基片两长边的边缘上形成金属电极，然后，再在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。 经老化、标定后即可使用。,羟乙基纤维素碳湿敏感元件敏感功能结构,羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线,

13、羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线的“隆起”现象,这一现象的出现是由于混入 浸涂液中的离子性杂质所引 起的。 实践证明，在干燥和超净条 件下制得的元件，曲线的 “隆起”现象就极其轻微。,曲线B为在正常批量生产中元件的感湿特性曲线； 曲线C是在高湿和离子污染较重的条件所得到元件的感湿特性曲线， “隆起” 现象明显。 曲线A是理想的元件所应具有的感湿特性曲线；,A：理想 B：正常批量元件 C：高湿和离子污染较重的条件所得到元件, 结露敏感元件,该元件是在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电阻式感湿膜，感湿膜由新型树脂和碳粒组成。 该元件具有独特的性能：在低湿时几乎没有感湿灵敏度，而在高湿（94RH

14、以上）时，其阻值剧增，呈现开关式阻值变化特性。,该元件的特点为：,A、即使在使用中有灰尘和其它气体产生的表面污染，对元件的湿度特性影响很小； B、能够检测并区别结露、水分等高湿状态； C、尽管存在滞后等因素会引起特性变化， 但由于具有急剧的开关特性，故工作点变动较小； D、能使用直流电压设计电路，因为是导电无极化现象，故可用直流电源。,结露敏感元件主要技术特性,该元件被大量应用于检测磁带机、照像机结露及小汽车玻璃窗除露等。,5.高分子聚合物薄膜湿敏元件,电容式 这是70年代新发展起来的一类比较理想的湿敏元件。 作为感湿材料的高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。因为这

15、类高分子大多是具有较小电介常数(r2-7)的电介质，而水分子偶极矩的存在大大提高了聚合物的介电常数(r83)。因此将此类特性的高分子电介质做成电容器，测定其电容量的变化，即可得出环境相对湿度。, 等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件,用等离子聚合法聚合的聚苯乙烯因有亲水的极性基团，随环境湿度大小可吸湿或脱湿而引起介电常数的改变。 制作方法：在玻璃基片上镀上一层铝薄膜作为下电极用等离子聚合法在铝膜上镀一层0.05m聚苯乙烯作为电容器的电介质再在其上一层多孔金膜做为上电极。 该类元件的特点是： 测湿范围宽，有的可覆盖全湿范围； 使用温度范围宽，有的可达-40 - +150； 响应速度快，有的小于1s；

16、 尺寸小，可用于狭小空间的测湿； 温度系数小，有的可忽略不计。, 醋酸纤维有机膜湿敏元件,电容式湿敏元件的感湿材料即是醋酸纤维。 制作工艺：在玻璃基片上蒸发梳状金电极，作为下电极将醋酸纤维按一定比例溶解于丙酮、乙醇（或乙醚）溶液中配成感湿溶液然后通过浸渍或涂覆的方法，在基片上附着一层0.5m感湿膜再用蒸发工艺制成上电极，其厚度为20m左右。 这种湿敏元件响应速度快、重复性能好，由于是有机物，所以在有机溶剂环境下使用时有被溶解的缺点。最适宜的工作温度范围为0-80。,醋酸纤维有机膜湿敏元件主要技术特性, 聚酰亚胺湿度传感器结构,聚酰亚胺湿度变送电路,聚酰亚胺湿度传感器湿度特性图,聚酰亚胺湿度变送

17、器输出特性曲线, 毛发湿度计,据说最初的毛发湿度计是达芬奇 (Leonard da Vinci)用羊毛或人的头发 制成。 原理：当相对湿度由0%变为100%时，人 的头发伸长约2.5%，通过杠杆将这种伸 长进行放大，从而转动指针，读出湿度。,四、湿度传感器的应用及发展动向,应用举例 自动气象站湿度测报原理图 自动去湿装置 发展方向,自动气象站湿度测报原理,图中的R-f变换器将传感器送来的电阻变为相应的频率 f，再经自校器控制使频率数与相对湿度一一对应，最后经门 电路记录在自动记录仪上；如需要远距离数据传输，则还需 要将得到的数字量编码，调制到无线电载波上发射出去。,氧化锂传感器,Rf变换,电子门及记录仪,温度自校,自校信号,自动去湿装置,H为湿敏传感器，RL为加热电阻丝，BGl和BG2接成施密特 触发器， BG2的集电极负载为继电器线圈。BG1的基极回路 电阻是R1、R2和H的等效电阻RP。,在常温常湿情况下调好各电阻值，使BGl导通，BG2 截止。 当阴雨等使环境湿度增大而导致湿敏电阻H的阻值下降达到某值时，R2与H并联之阻值小到不足以维持BGl导通，BGl截止而使BG2导通，其负载继电器J通电，J的常开触点闭合，加热电阻丝通电加热，驱