湿度传感器

湿度传感器（综述）

摘要：本文概述了湿度传感器的发展史,分析了湿敏陶瓷的微观结构和感湿机理，湿敏元件的特性,以及湿度传感器从材料和原理等方面的分类，重点阐述集成湿度传感器、单片智能化湿度/温度传感器的性能特点及产品分类，最后给出在气象，节水灌溉，新生儿温箱中等的应用。

关键词: 湿敏传感器，湿敏元件，感湿机理，分类，研究进展

1.湿度传感器的发展史

最早的湿度检测法是达芬奇用羊毛或人头发制成的毛发湿度计。这种机械式湿度检测仪曾在测湿历史上发挥重大作用。但是随着电子技术的发展, 人们开始对电子湿度传感器进行研究。1939年, 顿蒙利用材料的电气特性研制出世界上第一个湿度传感器顿蒙湿度传感器是利用电解质例如制成的。根据电阻值的变化可以检测相对湿度。但是, 这种传感器的检测范围太小, 要想测量较宽的湿度变化必须使用多个特性不同的传感器。同时进入测湿市场的还有利用聚合物薄膜或碳膜吸湿膨胀原理制作的湿度传感器。然而, 这些传感器都不能批量生产, 因为它们的制作过程需要大量的人工技巧后来, 人们又开始研究如何用半导体制造湿度传感器, 于是研制出若干种以陶瓷金属氧化物为主要材料的湿度传感器。测试了用含金属氧化物的厚膜硅或胶体涂印的传感器。此外, 还通过减小胶体电阻的办法提高响应速度。陶瓷湿度传感器会由于吸水、界面捕获现象和环境中, 分子等因素而使性能变坏。为防止这种情况, 又研制出能耐受定时加热清洗的传感器元件。后来,又由于维护困难, 而引入了非加热型传感器。通过特定的化学处理和老化处理可抑制特性的变化。

2.湿敏陶瓷的微观结构和感湿机理

湿敏半导体陶瓷元件感湿机理主要是水分子在陶瓷颗粒表面的作用过程，水分子在其表面吸附，使半导体陶瓷介电常数随湿度变化而变化。但在感湿中既有化学吸附，也有物理吸附;既要考虑电子过程.也不能忽视离子电导。电子一质子(离子)导电感湿理论认为.水分子在湿敏陶瓷表面和晶界处的化学吸附和物理吸附降低了表面和晶界电阻。使陶瓷总电阻随湿度增大而降低。在低湿时，水分子以化学吸附为主.陶瓷主要靠电子或空穴导电;高湿时，水分子以物理吸附为主，陶瓷主要靠质子和离子导电;在中湿时，水分子的化学吸附和物理吸附都具有重要作用，随着湿度增大，水分子的吸附由化学吸附为主转向物理吸附为主，导电则由电子或空穴导电为主转向质子和离子导电为主口电子一质子(离子)导电感湿理论是目前公认的在解释陶瓷感湿机理方面比较成功的模型，比较符合实际，被人们普遍接受。

3.湿敏元件的特性

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

3.1 湿敏电阻

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

3.2 湿敏电容

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，但其精度一般

比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel 公司、Philips 公司、Siemens公司等。以Humirel 公司生产的SH1100 型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH，在55%RH 时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0 变化到100% 时，电容量的变化范围是163pF～202pF。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为± 1.5%，响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。由于湿敏元件的线性度及抗污染性差，并且在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，所以很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

3.3电阻式湿度传感器的系列化设计

电阻式湿敏元件根据感湿材料不同有许多种,如陶瓷的、金属氧化物的、电解质和碳膜的等等,因而导电感湿机理也不同。例如电解质类型的是离子导电,碳膜涨缩型的是电子导电。在选择研究方向时,首先着眼于元件的稳定性,考虑到导电粒子所在介质的均一性直接影响到元件的稳定性,决定研究电解质材料离子导电的电阻式湿敏元件(ZSM系列) 。

ZSM系列湿敏元件的结构是在10 mm ×5 mm ×0. 6 mm大的陶瓷基片上,先烧制一对金电极,然后焊上两条叉状引线。经清洗烘干后浸涂配好的湿敏材料印浆,经化学处理后,通过老化、测试选择待用。其工艺流程见图1。

图1

这个制作过程与大多数电解质湿敏元件的作大体上一样,但是性能上有很大差别。例如:LiCl2PV A 湿敏元件,其优点是涂膜容易,一致性好,精度高;缺点是每一片量程太窄,仅20 %RH ,怕结露。一旦结露,片子性能变坏,不能恢复。又如:离子交换树脂湿敏元件,优点是量程宽(10 %～95 %RH) 、耐污染;缺点是加工麻烦,批量生产一致性不好控制,容易出现非线性,给线路工作带来困难。所以技术关键在于湿敏材料的选择、元件结构和因材料不同而加工处理各异的条件的控制。研究重点是①选择主链具有环形结构的高分子材料做电解质材料的载体。要求材料对频率和温度的变化都不是很敏感,而且易溶于有机溶剂,成膜保持一定的强度,

与基片粘附牢固,从而提高了产品的一致性和稳定性,降低了元件成本。

②改性加工和配伍材料。通过控制载体高分子侧基的大小、数量及分子间的结构,使单片元件的量程范围Δφ在30 %～60 %RH 范围随意调节,并具有较好的线性。

③研究影响元件敏感区的因素和调节方法。通过改变电解质的含量,可随意改变元件的敏感区,而其他特性不变,从而形成系列传感器:传感器型号量程应用

ZSM27 30 %～90 %RH 控制器,测控仪表

ZSM28 30 %～90 %RH 民用加湿器

ZSM29 10 %～95 %RH 测控仪表

④对元件结构和结构材料进行研究。在基片与敏感膜之间增加了衬底层,封闭了基片陶瓷微孔,除去基片吸放湿给元件带来的影响,明显提高了元件的响应特性。