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1、湿度传感器,课程内容,1 湿度表示方法2 湿敏传感器分类3 湿度传感器的主要参数4 几种常用测量湿度方法5 半导体陶瓷湿敏元件6 元素半导体湿敏元件7 半导体结型和MOS型湿敏元件8.高分子湿度传感器9 湿敏传感器的应用10 典型湿度传感器,1 湿度表示方法,在某一温度下，其水蒸气压同其饱和蒸气压的百分比。,相对湿度,单位体积内,空气里所含水蒸气的质量。,绝对湿度,当空气的温度下降到某一特定温度,空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠,相对湿度为100RH，简称露点。,如果露点温度低于0时,水蒸气将结霜,统称为露点。,露点温度,霜点温度,湿度：,大气中含有水蒸气的多少,表明大气的干湿程度。,常
2、表示为%RH；,道尔顿部分压力定律：在常温常压下，一定体积混合气体的压力，等于其各组成成分分别单独在相同体积内产生的部分压力之和。,毛发式、干湿球式、陶瓷式、有机高分子式、半导体式和电解质式等。,2 湿敏传感器分类,电阻式、电容式和频率式等；,按探测功能,相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种；,按材料,按湿敏元件输出的电学量,干球温度计,湿球温度计,刻度盘,纱布,水槽,2 湿敏传感器分类,干湿球式湿度计,2 湿敏传感器分类,干湿球式湿度计,利用水蒸发要吸热降温，而蒸发的快慢（即降温的多少）是和当时空气的相对湿度有关。,原理,3 湿度传感器的主要参数,A 湿度量程,B 感湿特征量,C 感湿灵敏
3、度,D 特征量温度系数,电容温度系数(%/)=,电阻温度系数(%/)=,T温度25与另一规定环境温度之差；,E 感湿温度系数,感湿温度系数(%RH/)=,T温度25与另一规定环境温度之差；,低湿型（0.5%RH-30%RH）,中湿型（30%RH-70%RH）,高湿型（70%RH-100%RH）,全湿型（0-100%RH）,例：R1%/ R20%,F 响应时间,G 湿滞回线和湿滞回差,I 频率特性,加直流电压，会引起湿敏元件的感湿体内水分子电解，致使其电导率随时间的延长而下降。故采用交流电压。,注：通常脱湿响应时间大于吸湿相应时间；,H 电压特性,高湿时，频率影响较小；低湿高频时，频率增加，元件
4、阻值下降，上限频率通常由实验决定；为防止水解，频率通常大于50Hz。,3 湿度传感器的主要参数,4 几种常用测量湿度方法,用纤维素与约 50微米厚金属箔粘合在一起，卷成螺旋状构成；适用范围: 30%100%RH。,毛发湿度计,电子式温湿度计,干湿球式温湿度计,5电解质湿度传感器,氯化锂湿度电阻特性曲线,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。,原理,水分子结构示意图,6 半导体陶瓷湿敏元件,材料,金属氧化物半导体陶瓷,类型,烧结型、厚膜型和薄膜型,感湿机理,A 电子导电理论,B 质子导电理论,C 电子-质子混合导电理论,陶瓷湿敏元件利用其表面多孔性吸湿导电。,特点,测湿范围宽，
5、工作温度高，响应时间短、精度高；,水分子特点,极性分子，电子云趋向于氧原子，氢原子附近有很强的正电场，水分子具有很强的电子亲和力。,6 半导体陶瓷湿敏元件,感湿机理,A 电子导电理论,实质：用能带理论来解释多孔陶瓷的感湿机理。,表面能级,表面受主态能级,表面施主态能级,成对出现,本征表面态,P型金属氧化物半导体,水分子在晶粒表面吸附，在价带上方产生新的能级，相对湿度增大时，表面吸附的水增多，增加了表面受主密度。表面空穴的浓度随相对湿度的增大而不断增大，使表面电阻明显下降，引起感湿陶瓷的电阻下降。,6 半导体陶瓷湿敏元件,感湿机理,A 电子导电理论,N型金属氧化物半导体,A 过程：,正感湿过程。
6、,B 过程：,随着相对湿度，界面积累的空穴浓度将超过导带中原有电子浓度，出现反型层，界面电阻率下降，呈现负感湿特性。,B 质子导电理论,6 半导体陶瓷湿敏元件,感湿机理,C 电子-质子混合导电理论,化学吸附产生电场促进物理吸附水的分解，其电荷输运是通过一个质子附载在水分子上形成水合氢离子进行的，表现为负感湿特性。,在任何湿度下，陶瓷湿敏元件同时存在有电子导电和质子导电。低湿情况下，则以电子导电为主。高湿情况下，则以质子导电为主。中等湿度情况，则是电子导电和质子导电的过渡区域。,6.1 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏元件结构,6 半导体陶瓷湿敏元件,以不同的金属氧化物为原料，通过典型的陶瓷工艺
7、烧制而成。,6.2 MgCr2O4-TiO2湿敏元件特性（国产SM-1型）,6 半导体陶瓷湿敏元件, 阻-湿特性, 响应时间,吸湿和脱湿响应时间约为10s；, 加热清洗特性, 气敏特性,MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷材料为多孔性结构，工作温度低于150 时，良好感湿特性；300-550时，丧失对水蒸汽敏感特性，对多种气体敏感，例如乙醇。,6.2 MgCr2O4-TiO2湿敏元件特性（国产SM-1型）,6 半导体陶瓷湿敏元件,日本松下公司MgCr2O4-TiO2系多功能传感器典型特性,6.3 MgCr2O4-TiO2湿敏元件工艺,6 半导体陶瓷湿敏元件, 材料制备,配比：MgO:Cr2O3:
8、TiO2=70:70:30 (摩尔分数)。配好原料放入球磨罐中进行球磨。干燥、过筛后，制成粒径合适的粉料。, 成型,在加工好的粉料中加入有机粘合剂，搅拌均匀后，装入模具内，经压力机加压成型。, 烧成,从室温升到300左右，适当保温一段时间，把粘合剂从陶瓷胚体中排出，防止高温烧结时粘合剂燃烧出现裂纹。然后升温，在1300 下保温2-4h。, 电极制作,选用Ru（钌）O2，RuO2材料方块电阻小（热膨胀系数相当、附着力好，化学性能稳定），RuO2电极具有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面。,(5)安置加热器,6.4 ZrO2厚膜陶瓷湿敏元件,6 半导体陶瓷湿敏元件,厚膜陶瓷感湿机理,由于物理吸
9、附的水，在湿敏感湿层的表面上进行解离而产生质子，实际是质子导电。,元件的结构,工艺,ZrO2-Y2O3的固溶体简称YSZ,钇,ZrO2厚膜湿敏元件的特性,6 半导体陶瓷湿敏元件, 湿度、温度特性,在低湿度时 ，温度对阻-湿特性影响较大。在相对湿度不变的情况下，随温度的上升，阻值减小，呈现出NTC热敏电阻特性。, 响应特性,湿度从84%RH变化到53% RH时响应速度要慢些，即脱湿过程慢。在室温下吸湿时间为20 s，脱湿时间约为1min。,6.5 多孔Al2O3湿敏元件,片状、棒状、针状,类型,6 半导体陶瓷湿敏元件,元件结构,元件核心：,具有感湿特性的多孔Al2O3膜；,工艺：,采用阳极氧化法
10、制备；,感湿机理,6 半导体陶瓷湿敏元件,剖面图,等效电路,等效电路阻抗：,可得：,多孔Al2O3湿敏元件的特性参数,6 半导体陶瓷湿敏元件,(1)感湿特性,膜厚度对其感湿特性的影响。,总结： 对以Cp为感湿特征量的元件，厚度越小，越好；,多孔Al2O3湿敏元件的特性参数,6 半导体陶瓷湿敏元件,(1)感湿特性,膜厚度对其感湿特性的影响。,总结： 对以Rp为感湿特征量的元件，厚度越大，有利于提高灵敏度；,测量绝对湿度的感湿特性曲线,Cp值越大，Cp随露点温度变化越明显，元件灵敏度越高。,6半导体陶瓷湿敏元件,多孔Al2O3湿敏元件的特性参数,函数关系：, 响应时间,环境温度越高，通气流速越大，
11、响应时间越短；, 湿滞特性,阳极氧化时生成的多孔Al2O3有多个解理面，易于产生裂纹，以致在该处易于聚集水分而成缓慢的扩散源。气孔孔型不规则，分布不均匀，外电极上有机物的玷污，过厚的外电极金属膜以及过大的感湿面积等，都是湿滞的原因。,7 元素半导体湿敏元件,材料,原理,用Ge，Si或C等薄膜制成的；,当环境温度发生变化时，水分子的吸附将改变晶粒的表面态的占据情况，以及影响晶粒界面的势垒高度，有效的改变薄膜的电阻。,硅（Si）烧结型湿敏元件,在Al2O3基片上，烧结一对金电极，涂覆一层Si湿敏材料。,结 构,感湿特性曲线,湿敏二极管,8 半导体结型和MOS型湿敏元件,结 构,I-V曲线,表面态能
12、级填充引起肖特基势垒变化。,湿敏MOSFET,（MOSFET）的栅极上涂覆一层感湿薄膜，再在感湿薄膜上增设一个金属电极构成。,8半导体结型和MOS型湿敏元件,湿敏MOSFET是N沟道耗尽型，在栅压为零时，有沟道存在，工作时，无需外加栅压。,利用有机高分子材料吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成结露传感器。,9.高分子湿度传感器,原理,高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构,传感器的电容量变化很大, 线性度欠佳,可外接转换电路
13、, 电容湿度特性趋于理想直线。,传感器特性,（1）电容湿度特性,9.高分子湿度传感器,（2）响应特性,高分子薄膜可以做得极薄，吸湿响应时间都很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。,（3）电容一温度特性,电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在550范围内,电容温度系数约为0.06RH/。,电阻式高分子膜湿度传感器,（1）聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器,9.高分子湿度传感器,（2）电阻湿度特性,聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在(055)时，温度系数为(0.61.0)RH/。,（3）温度特性,电阻式高分子膜湿度传感器,9.高分子湿度传感器,10 湿敏传感
14、器的应用,10.1 湿敏元件的标定,结构简单 ，费用少，操作方便，精度较高，但湿度是不连续的。,饱和盐溶液法（湿度固定点法）,特点:,将饱和盐水溶液置于封闭的容器中，在给定的温度下，盐溶液达到饱和时，其平衡蒸汽压也将恒定。,特点:,双温法,相对湿度:,10.1 湿敏元件的标定,10 湿敏传感器的应用,气体通过具有一定温度的饱和槽，使其成为饱和气体，饱和槽的饱和水蒸气压为et，再将气体通入比饱和槽温度高的试验槽，试验槽温度对应的饱和水蒸气压为ets。,装置简单，难于精确控制温度，精度低。,将被压缩的干燥气体通入一定温度下的饱和槽内，使之变成饱和气体，饱和槽的气体压力为Ps，再将这种饱和气体膨胀到
15、同一温度下的试验槽中，由于压缩气体的膨胀，气体变成了非饱和的气体，若试验槽内的气体压力为Pt。,因高、低湿时气体膨胀情形不一样，对调整压力精度的技术要求高。,特点:,双压法(压缩膨胀法),相对湿度:,10.1 湿敏元件的标定,10 湿敏传感器的应用,10.2 湿敏元件的温度补偿,半导体陶瓷湿敏元件,（NTC）特性,电阻温度系数（TCR）：,电阻湿度系数（HCR）：,对于负温度系数湿敏元件，温度补偿方法在测试探头回路中串联正温度系数元件。,设Rn=Rp，要使R不随温度变化，必须使,10 湿敏传感器的应用,湿度温度系数,无源线性变化,10.3 线性化,并联电阻,满足关系：,优点：简单、方便；,缺点：牺牲灵敏度。,10 湿敏传感器的应用,有源线性变化,10.3 线性化,（1）,（2）,（5）,（3）,（6）,（4）,10 湿敏传感器的应用,湿度传感器测量电路,10 湿敏传感器的应用,瑞士Sensiron公司电容相对湿度传感器,数字温湿度传感器(DHT9X),Honeywell电容式湿度传感器,11 典型湿度传感器,电容湿度传感器(SMTHS07),高精度湿度传感器,湿度传感器HS1101,11 典型湿度传感器,
