高分子湿度传感器的发展概况和发展方向

第 12 期 ( 2) 感湿膜粘结在压阻器上
仪表技术与传感器 聚酰亚胺 高, 测量范围几乎为 0~ 100% RH 。 4 电容型湿敏传感器
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感湿膜粘结在 压阻器上 , 结构 如图 3 所示。 感湿膜受潮膨胀对压阻器产生应力, 压阻器 因应力变化而引起电阻的变化 , 通过压阻积 分电路, 电阻变化的大小就转变成输出电压, 通过测量输出电压来测量湿度。图 4 是输出 电压 相对湿度曲线图。从图中可看出, 测 量范围宽、 线性好、 灵敏度高 , 这类传感器近 几年已投入实际应用。主要优点是可用传统 的集成电路技术制作 , 易于小型化 ; 电子传感 元件与湿敏元件相分离, 选取适合的相关参 数可提高低湿的灵敏度, 便于线性化; 由于使 用了钝化膜, 长期的电学稳定性好 ; 响应时间 快, 精度高。
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仪表技术与传感器
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等。这类传感器目前发展较快、 应用较广, 主 要优缺点与电容型湿度传感器的相同。 6 光强型湿度传感器 湿敏材料随外界湿度的变化 , 透射或反 射光的某 吸收峰或发射 峰的光强也 发生变 化, 通过光强的测量来测量湿度。 Mut o 等人 发表了在玻璃光纤包覆的聚合物上 , 含浸 7 - 羟基 香豆系染 料的湿 敏元件 ; Y. Sadaoka 等人发表了含 N- 苯基的水解 Naf ion 和染 料制成的复合膜湿度传感器。这类传感器正 在研究开发中。 7 声表面波湿度传感器 该类传感器应用表面声波的传播速度或 频率随高分子膜吸收水分而变化的原理制成 的。涂敷的分子膜多用聚酰亚胺、 醋酸丁酸 纤维素、 聚乙烯醇 磷酸等。国外已有十年 的研究历史, 我国才刚刚起步 , 主要优点是低 湿具有较高的灵敏度 , 在高湿区可靠性好。
2 1 电解质离子型湿度传感器
仪表技术与传感器 有良好的应用前景。
1997 年
该类传感器的感湿膜一般由高分子材料 和离子型电解质组成。电解质受潮后引起离 子状态的变化而改变电解质的电性能。 ( 1) 感湿膜的电阻随离子状态而变化 最典型的是氯化锂离子型湿度传感器, 由 F. W. Dummore 首先研制成功。感湿膜是 聚乙烯醇与氯化锂的混合物。当湿度发生变 化时, 氯和锂离子浓度和移动速度等状态相 应发生变化, 从而引起感湿膜的电阻变化, 在 感湿膜的下面还涂了一层聚苯乙烯增水层, 以免氯化锂因湿度过大而溶解丢失。湿度测 量范围随氯化锂浓度而异 , 在大量程测量中, 通常是将多个氯化锂含量不同的元件组成使 用。这种湿敏元 件目前尽 管进行了 许多改 进, 例如氯化锂渗入到网孔状纤维里等 , 使其 浓度稳定下来。但这类器件的重复性还是不 理想, 使用寿命短 , 不适于低湿和高湿环境。 由于使用了多个元件组合 , 体积较大, 不利于 小型化, 集成化。 聚苯乙烯磺酸锂是典型的高分子电解质 离子型传感器 , 基本上克服了上述缺点。但 该传感器有负温度系数, 应用时要进行较复 杂的温度湿度补偿, 聚苯乙烯磺酸盐类湿敏 元件的主要缺点是湿滞回差大 , 长期稳定性 不好。 ( 2) 感湿膜的电位差随离子状态而变化 由离子交换膜和聚吡咯膜各占一半组成 的复合膜作为感湿膜。图 1 是该复合膜结构 示意图。环境湿度发生变化时。复合膜中的 离子状态发生变化, 如离子的渗透阻力减小 等, 在介面处形成象源电池那样的电位差, 电 位差的大小随湿度不同而变化。故测量电位 差就可以测出湿度。图 2 是具有 SO 4- 离子 交换膜的电位差 相对湿度曲线图, 从图中 可以看出 , 测量范围宽, 线性好。实验研究表 明, 该膜显示了相 当好的重 复性和感 湿性。 这是近几年正在研制的新型湿度传感器, 具
第 12 期
仪Biblioteka Baidu技术与传感器
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传感器技术
高分子湿度传感器的发展 概况和发展方向
刘崇进 沈家瑞 朱荫兰 广州市 510641 华南理工大学应用物理系
摘要 叙述高分子湿度传感器的发展概况和发展方向 , 重点介绍了离子型 和胀缩型高分子湿度传感器的原理和特点 。 叙词: 高分子 湿度传感器 离子型 胀缩型
图4
输出电压
相对湿度图
3 重量型湿度传感器 高分子感湿膜如聚脂胺涂敷在石英等材 料振子的电极表面上, 感湿时感湿膜的重量 变化引起石英等振子的共振频率变化, 通过 测量频率的变化来测量湿度。 A. Gl ck 等用压电 PVDF 高分子感湿膜 粘结在薄玻璃片上制成的共振传感器件, 不 仅可用来测量湿度, 由于气体流动的压力对 共振频率也有影响, 故也用来测量气体的流 量。这类传感器 的主要优 点是灵敏 度非常
图2 电位差 相对湿度图 图1 1 离子交换膜 复合膜结构示意图 2 镀银电极 3 聚吡咯膜
2 胀缩型湿度传感器 感湿膜主要由高分子湿敏材料组成。感 湿膜渗入了某些导电物或增加了某些附加装 置, 从而引起其它特征物理量的变化。 ( 1) 感湿膜加入导电物 碳膜湿度传感 器是比较典型的一类感湿器件。感湿膜是由 碳粉均匀地分散到高分子材料中做成的。吸 湿时感湿膜膨胀, 碳粒之间接触松散, 致使感 湿膜阻值增大。反之, 在脱湿时感湿膜收缩 , 碳粒间距离缩短 , 电阻也随之减小。这种湿 敏元件的主要优点是湿度量程较大 , 灵敏度 也较好。由于感湿膜可做得较薄 , 故响应时 间较小 , 便于小型化。国内已研制过用聚丙 烯酰胺 ( PAM ) 作为碳膜感湿元 件。这种材 料吸湿后体积胀缩性与分子量密切相关。实 践证明, 这种湿度传感器要高于羟乙基纤维 素碳膜湿度传感器的灵敏度。采用吸湿性树 酯为感湿材料 , 内含导电碳粒制成的高分子 膜湿敏器件, 抗水性能好 , 已作为防结露器件 应用于实际中。这类传感器尽管采用了保护 措施 , 如在感湿膜上覆盖增加抗污染的保护 膜, 但耐久性依然不好, 使用寿命一般为 1~ 2 年 , 且低湿灵敏度差, 高温时间响应大, 大 规模生产的稳定性差, 定标比较困难。
基团接枝、 交联或共聚, 提高在高湿测量时的 抗水性。 3 提高灵敏度和测量精度 主要是提高在低湿区的测量精度和灵敏 度。主要措施是: ( 1) 研制新型湿敏材料; ( 2) 采用现代化工艺技术制备厚度理想 的感湿膜 ; ( 3) 采用电路补偿或查表及计算机计算 软补偿。 4 减少湿滞回差 主要措施是: ( 1) 研制新的湿敏材料; ( 2) 制备厚度理想的膜层 ; ( 3) 尽可能制成无孔隙的均匀膜层 , 以免 水分子在孔隙中堆积影响脱湿。 5 缩短响应时间 主要措施同上。 6 减少湿度温度系数 主要措施是研制新型湿敏材料和采用温 度补偿电路等。 7 小型化、 集成化和多功能化 以单个元件和多种电路集成在一个芯片 上。由于集成度的提高 , 出现了具有多种检 测功能的湿温或湿度等传感器。 8 智能化 湿敏元件与微处理器联用 , 将湿度检测、 处理和驱动等功能电路全部集中到一块基片 上, 并且使它具有自诊断、 自动调整量程、 处 理数据及远距离检测和遥控等功能。 湿度是比较难检测的物理量 , 而且检测 湿度时湿 敏元件必须直 接暴露于 待测环境 中, 因此, 至今还没有制成抗污染、 长期稳定 可靠的湿敏元件。在今后比较长的一段时间 内, 开发具有抗污染性和长期稳定性好的湿 敏元件仍然是一项重要的研究课题。
二、 高分子湿度传感器的发展概况
高分子湿度传感器随环境湿度的变化 , 高分子材料的感湿特征量发生变化。特征量 的变化可以是材料长度或体积的变化 , 也可 以是材料 的介电常 数、 导 电性能等 的变化。 这种种变 化一般要通过 电测量为 人们所感 知, 因此要求高分子湿度传感器要有一定的 电学结构。只有把具有感湿功能的高分子材 料和元件的电学结构很好地结合起来 , 才能 产生较为理想的高分子湿度传感器 , 高分子 湿度传感器的感湿部分一般是厚度适合的薄 膜, 根据感湿原理, 总起来可分为下面几种:
General Situations of High Polymer Humidity Sensors and its Developing Direction
Liu Chongjin, Shen Jiarui and Zhu Yinlan Sout h China Universit y of T echnology, Guangzhou 510641 Abstract: General Situat ions of high polymer humidit y sensors and it s devel oping direct ion are described. T he principle of t he novel ionic and ex pansive- con tract ive humidity sensors and t heir propert ies are g iven emphat ical in t his paper. Key Words: H igh Polymer, H umidity , Sensor, Ionic, Ex pansive- Cont ract ive. 应用的深入和扩大, 我国研制的高分子湿敏 元件的某些性能已得到了很大的提高 , 有的 接近或赶上了国外有的厂家生产的湿度传感 器。
一、 引
言
高分子湿度传感器的研究始于 1938 年, 由美国的达姆 ( F. W. Dummore) 在金属丝状 电极上的上面浸涂一层聚乙烯醇和氯化锂的 混合感湿膜 , 而研制出的浸涂式氯化锂湿度 传感器。此后, 电解质、 有机高分子、 金属氯 化物、 多孔陶瓷等各种感湿材料组成的传感 器相继出现。自从 1978 年芬兰 Vaisala 公司 成功地研制了 H umicap 以来, 高分子湿度传 感器优异性能在国际上获得了越来越多领域 的承认 , 特别是湿度量程宽、 响应时间短、 湿 滞回差小、 制作简单、 成本低等优点, 成为其 它湿度传感器激烈的竞争对手。在气象、 纺 织、 集成电路生产、 家用电器、 食品加工及蔬 菜保鲜等方面得 到了广泛 的应用。我国从 1980 年开始研制高分子湿度传感 器。随着
感湿时感湿膜的介电常数发生变化, 电 容量也发生变化 , 通过测量电容量的变化来 测量湿度。该元件的基本结构是在基片上镀 上一层梳状金底部电极, 再涂上高分子感湿 膜, 然后在膜上面镀上另一层透水性好的金 膜作为上部电极。有的湿敏元件再盖上一层 多孔网罩以增加抗污染能力, 延长使用寿命。 早期感湿膜多采用醋酸纤维素及其衍生 物。目前大多采用的是醋酸丁酸纤维素。电 容型湿敏材料常见的还有聚苯乙烯、 聚酰亚 胺、 酪酸醋酸纤维 ; 还有桂树脂、 聚肉桂叉丙 二酸乙二醇 - 1 4 二酸脂、 聚 3 用基 2 甲胺 ( T MSDMA) 或双 ( 乙甲胺基) 甲基乙烯基硅 烷( BBMAMVS) 以及溴化甲基聚合物等感湿 材料。这类湿敏 元件近 十年研究 得比较活 跃, 其主要优点是响应时间快, 滞后性小, 在 低湿处的灵敏度也高, 稳定性好, 制作简单 , 易于实现小型化和集成化。主要缺点是抗高
图3 1 感湿膜
压阻式湿敏元件结构图 2 钝化膜 3 压阻器 4 基底
湿能力差 , 长期稳定性有待进一步研究。 5 电阻型湿度传感器 感湿膜的电阻随湿度变化而变化 , 根据 电阻的变化来测量湿度。其基本结构是在基 片上镀上一对梳状金或铂电极 , 再涂上一层 高分子感湿膜 , 然后在膜上涂敷透水性好的 保护膜。电阻型感湿膜主要由高分子固体电 解质材料做成的。这类材料主要有 : 高氯酸 锂 聚氯化乙烯、 Ncef ion 膜、 双二甲胺基乙 烯基硅烷和溴甲烷的季铵化物共聚物 , 四乙 基硅烷的等离子共聚物, 季铵化聚乙烯基吡 啶 高氯酸盐 , 有亲水基的有机硅氯烷、 交联 季铵化聚乙烯基吡啶 , 有 SO3H 基和 COOH 基 的含氟聚合物, 羟丙烯酸丙酯与三甲基氯化铵 盐的共聚物, 主链有 N + 的离子性聚合物, 羟 甲基丙烯酸脂与三甲基氯化物的聚合物, 2 羟 基- 3 甲基丙烯酸羟丙基三甲基氯合铵聚化 物与乙二醇二甲基丙烯酸酯聚合物的合金膜