半导体敏感元件(湿度)

H1 H 2 T
ΔT—温度25℃与另一规定环境温度之差；
3 湿度传感器的主要参数
F 响应时间
沈
t -
Kt K(1e )
注：通常脱湿响应时间大于吸湿相应时间；
阳
G 湿滞回线和湿滞回差
工
业 H 电压特性
加直流电压，会引起湿敏元件的感湿体内水
大
分子电解，致使其电导率随时间的延长而下降。
学
故采用交流电压。
2 湿敏传感器分类
沈干
湿 球
阳
球 温
温 度
工
度 计
计
业
大
学
刻度盘
干湿球式湿度计
纱布
水槽
2 湿敏传感器分类
干湿球式湿度计
原理沈Biblioteka 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。
阳
工
业
大
学
3 湿度传感器的主要参数
A 湿度量程 低湿型（0.5%RH-30%RH） 中湿型（30%RH-70%RH）
而凝结成露珠,相对湿度为100％RH，简称露点。
霜点温度
如果露点温度低于0℃时,水蒸气将结霜,统称为露点。
2 湿敏传感器分类
按湿敏元件输出的电学量
沈
电阻式、电容式和频率式等；
阳
按探测功能
工
业
相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种；
大
按材料
学
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。
业 在加工好的粉料中加入有机粘合剂，搅拌
大 均匀后，装入模具内，经压力机加压成型。
强的电子亲和力。
水分子结构示意图
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。
沈
表面受主态能级
表面能级
成对出现
阳
表面施主态能级
本征表面态
工 P型金属氧化物半导体
水分子在晶粒表面吸附，在价
业
带上方产生新的能级，相对湿度增
大 大时，表面吸附的水增多，增加了
学 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。
(a)未吸附水分子时 (b)吸附水分子后
P型半导体陶瓷表面能态
6 半导体陶瓷湿敏元件
感湿机理
A 电子导电理论
沈 N型金属氧化物半导体
阳
A
B
工
Ei
业
大
学
A 过程： 正感湿过程。
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
沈
阳
工
湿度传感器
业
大
学
课程内容
1 湿度表示方法
沈 2 湿敏传感器分类
阳 3 湿度传感器的主要参数
工 4 几种常用测量湿度方法
业
5 半导体陶瓷湿敏元件
6 元素半导体湿敏元件
大
7 半导体结型和MOS型湿敏元件
学 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
湿度： 大气中含有水蒸气的多少,表明大气的干湿程度。
沈
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
相对湿度 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。
阳
在某一温度下，其水蒸气压同其饱和蒸气压的百分比。
工
RH p 100% ps
常表示为%RH；
业
绝对湿度 单位体积内,空气里所含水蒸气的质量。
大
学
露点温度
v
m V
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
浓度，出现反型层，界面电阻率下降，呈现负感湿特性。
6 半导体陶瓷湿敏元件
感湿机理
B 质子导电理论
沈
化学吸附产生电场促进物
理吸附水的分解，其电荷输运
阳
是通过一个质子附载在水分子
工 上形成水合氢离子进行的，表
业
现为负感湿特性。
大
2H 2O H3OO-H
学 C 电子-质子混合导电理论
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。
5电解质湿度传感器
原理
沈
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。
数
阳
感湿膜
工 业 大 学
R 梳状
柱状
/对
的
7.0
吸附
脱附
6.5
15℃
6.0
阻 值
5.5
电
5.0
4.5
4.0 40 50 60 70 80 90 相 对 湿 度 / % RH
氯化锂湿度—电阻特性曲线
6 半导体陶瓷湿敏元件
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烧制而成。
沈 6.1 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏元件结构
阳
多孔RuO2电极 加热器
感湿陶瓷
工
业
金隔漏环
大
陶瓷基板
学
电极引线 （Pt-Ir）
陶瓷湿敏元件结构图
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.2 MgCr2O4-TiO2湿敏元件特性（国产SM-1型）
沈 ⑴ 阻-湿特性
阳
RR0eRH
⑵ 响应时间
工
吸湿和脱湿响应时间约为10s；
业
⑶ 加热清洗特性
大
⑷ 气敏特性
学
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 半导体陶瓷湿敏元件
6.2 MgCr2O4-TiO2湿敏元件特性（国产SM-1型）
材料 金属氧化物半导体陶瓷
沈
类型 烧结型、厚膜型和薄膜型
阳
特点 测湿范围宽，工作温度高，响应时间短、精度高；
工
感湿机理 陶瓷湿敏元件利用其表面多孔性吸湿导电。
业
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
大
水分子特点
学
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
沈
高湿型（70%RH-100%RH） 全湿型（0-100%RH）
B 感湿特征量
阳
工 C 感湿灵敏度 业 D 特征量温度系数
例：R1%/ R20%
电阻温度系数(%/℃)=
R1 R2 100 R1T
大
电容温度系数(%/℃)= C1 C2 100 C1T
学
ΔT—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/℃)=
沈
阳
工
业
日本松下公司MgCr2O4-TiO2系多功能传感器典型特性
大
学
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.3 MgCr2O4-TiO2湿敏元件工艺
沈 ⑴ 材料制备
阳
配比：MgO:Cr2O3: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
工
后，制成粒径合适的粉料。
⑵ 成型
I 频率特性
高湿时，频率影响较小；低湿高频时，频率增加，元件阻值下降，上 限频率通常由实验决定；为防止水解，频率通常大于50Hz。
4 几种常用测量湿度方法
毛发湿度计
沈
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%～
阳
100%RH。
工
业
大
学
干湿球式温湿度计
电子式温湿度计