湿敏传感器

电热器 (用 于 清 洗 湿 敏 元 件 )振 荡 器
~
电源
Rs
交-直 流 交换器
R0
显示器
线 性 电路
A Ur
烹 调 设备 加热
图9.21 自动烹调设备中湿度检测控制系统原理框图
2. 一种实用湿度测量系统
高 频 电子 食 品 加 热器
排气口
微波
水 蒸 气流
食品
湿 敏 传感 器
图9.22 采用湿敏传感器的高频电子食品加热器
湿敏传感器
10电仪：黄晓琪—13号 张 俊—15号
9.2湿敏传感器
• 随着人们对湿度检测和控制要求的日益增 加，湿敏传感器已正在成为电子器件、精 密仪表、食品加工、粮食保存、蔬菜保鲜、 棉纺及化纤等工业过程检测与控制的必不 可少的测量部件。
1.湿度及其表示
2. 相对湿度（RH，Relative Humidity）
图所示, 由引线、
基片、 感湿层与电
极组成。
2.氧化镁系湿敏元件
3.Zn0系湿敏元件
9.2.4 湿敏传感器的应用
• 1.电容式湿敏传感器
• 电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化 的原理进行湿度测量的传感器。这里介绍两种薄片状电容 式湿敏传感元件。
•
这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的
• 分为负特性湿敏半导体陶瓷，正特性湿 敏半导体陶瓷。
（1）. 负特性湿敏半导瓷的导电机理
• 当水在半导瓷表面吸附时, 氢原子从半导瓷表面俘 获电子, 使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ 型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降。吸 引更多的空穴到表面，表面层的电阻下降。当水在 半导瓷表面吸附时, 氢原子从半导瓷表面俘获电子, 使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降。吸引更多的空 穴到表面，表面层的电阻下降。
2.1柱状氯化锂湿敏电阻器
• 图是氯化理湿敏电阻器 的结构图、在聚苯乙烯 圆筒绕制两根相平行的 钯引线作电极，然后在 它上面涂敷一层经过适 当碱化处理的聚乙烯醋 酸盐和氯化锂水溶液混 合体，干噪后形成感湿 薄膜。由于感温湿膜吸 附或释放水分子而改变 其电阻值，通过检测电 极间的电阻值即可得知 相对湿度的大小。
图9.16 一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构
上电极
下电极 吸湿性 高 分 子聚 合 膜
衬底
当环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微孔进入感湿 膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间成 正比关系，线性度约±1%，如图9.17所示。这类电容 式湿敏传感器的响应速度快，是由于电容器的上电极 是多孔的透明金薄膜，水分子能顺利地穿透薄膜，且 感湿膜只有一层呈微孔结构的薄膜，因此吸湿和脱湿 容易。
（2）.正特性湿敏半导瓷的导电机理
• 正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结 构、 电子能量状态与负特性材料有所不同。当水 分子附着半导瓷的表面使电势变负时, 导致其表面 层电子浓度下降, 但还不足以使表面层的空穴浓度 增加到出现反型程度, 此时仍以电子导电为主。 于是, 表面电阻将由于电子浓度下降而加大, 这类 半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。 如果对某一种半导瓷, 它的晶粒间的电阻并不比晶 粒内电阻大很多, 那么表面层电阻的加大对总电阻 并不起多大作用。
的关系曲线。
不过, 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的, 表面电导占的 比例很大, 故表面层电阻的升高, 必将引起总电阻值的 明显升高; 但是, 由于晶体内部低阻支路仍然存在, 正 特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值
下降得那么明显。图9 - 6给出了Fe3O4正特性半导瓷 湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。
图9.16所示为高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构。在清洗干 净的玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上，蒸镀一层厚度约1 μm的叉指形金电极（下电极），在其表面上均匀涂覆（或浸 渍）一层厚度约5000（1 =10-8cm）的感湿膜（醋酸纤维膜）， 在感湿膜的表面上再蒸镀一层多孔性金薄膜（上电极），上电 极薄膜的厚度约200～500 较为适宜。由上、下电极和夹在其 间的感湿膜构成一个对湿度敏感的平板形电容器。
3.响应时间
• 响应时间是在一定温度下，当相对温度发 生跃变时，温敏传感器的电参量达到稳态
变化量的90%时所需要的时间。 4.稳定性
一般陶瓷类湿敏传感器稳定性比较好
9.2.3 湿敏传感器的结构
• 1、 氯化锂湿敏电阻
•
氯化锂湿敏电
阻是利用吸湿性盐
类潮解, 离子导电率
发生变化而制成的
测湿元件。结构如
上电极
氧化铝 薄膜 下电极 衬底
图9.18示出了其响应特性。试验表明，当湿敏元件 从低湿气氛（相对湿度为30%）迅速移入高湿气氛 （相对湿度为93%）中时，其时常数小于3s；如从 高湿气氛迅速移入低湿气氛中，则响应速度稍慢 （约10～30s）。
电 容 值 / pF
90
相 对 湿 度 从 30 %上 升 到 93 %
• 1.电阻-湿度特性
• 电阻-温度特性是指湿敏电阻的阻值随温度 的变化而变化的特性。随着相对湿度的增 加半导体陶瓷的电阻值急剧下降，基本按 指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻温度特性近似呈线性关系。如图所示，当 相对湿度由0变为80%RH时，阻值从10的7 次方下降到10的4次方，即变化了三个数量 级。
振荡器 ＋ －
湿 度敏 感 与 取
样
＋－
高 输入 阻 抗 交流 放 大器
交-直 流 变 换器
显示
图9.23 一种实用湿度测量系统的方框图
汽车驾驶室挡风玻璃自动 去湿装置，如图a为风挡 玻示意图，图中R8为嵌入 玻璃的加热阻丝，H 为结 露感湿元件。 图b为所用 的电路。VT1、VT2接成施 密特触发电路，VT2的集电 极负载为继电器K的线圈 绕组。VT1的基极回路的电 阻为R1、R2和湿敏元件H的 等效电阻Rpo事先调整好各 电阻值，使常温、常湿下 VT1导通，VT2截止（VT1的 集电极-射极电压接近于 零而使VT 截止）。
C / pF
80
60
40
—吸 湿
20
—脱 湿
0 0 20 40 60 80 100
相 对 湿 度 /%
图9.19示出了另一种薄片状电容式湿敏元件的结构。其感湿膜 为一层多孔氧化铝薄膜，衬底为硼硅玻璃或蓝宝石，上金膜电 极和两个下金或铂电极形成两个串联电容器。当空气中的相对 湿度变化时，吸附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化，引起电 容值变化。
• 图中给出柱状氯化锂湿敏电阻器的电阻值 与相对温度度的关系曲线。从图中可以看, 对于一种配方的湿敏电阻，其测试湿度的 范围相当狭窄。因此，设法将氯化锂含量 不同的几种湿敏电阻器组合使用，其测量 范围才能达到20%RH - 80%RH。
2.2板状氯化锂湿敏电阻器
• 板状氯化锂湿敏电阻器的结构如图所示。它 是在无碱玻璃带上浸渍氯化锂溶液而构成的 湿敏元件。铂电极采用压制方法与玻璃带密 切结合成一体，然后由焊接的引线引出。
介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸湿性电介质材
料（感湿材料）主要有高分子聚合物（例如乙酸-丁酸纤
维素和乙酸-丙酸纤维素）和金属氧化物（例如多孔氧化
铝）等。由吸湿性电介质材料构成的薄片状电容式湿敏传
感器能测全湿范围的湿度，且线性好，重复性好，滞后小，
响应快，尺寸小，能在- 半导体气敏元件是如何进行分类的？试述表面 控制型电阻式半导体气敏传感器的结构与特点。
• 不过, 通常湿敏半导瓷材 料都是多孔的, 表面电导 占的比例很大, 故表面层 电阻的升高, 必将引起总 电阻值的明显升高; 但是, 由于晶体内部低阻支路 仍然存在, 正特性半导瓷 的总电阻值的升高没有 负特性材料的阻值下降
得那么明显。图9 - 6给 出了Fe3O4正特性半导 瓷湿敏电阻阻值与湿度
•
这种湿度传感器的可靠性高，多用于工业
过程中的湿度管理。
湿度检测电路
• 测量电路的选择： • 1、电源电路的选择：
2、温度补偿：
3、线性化
1.
图9.21所示为自动烹调设备中湿度检测控制系统原理框图。 Rs为湿敏元件，电热器用来加热湿敏元件至550℃工作温度。由于传感器工 作在高温环境中，所以湿敏元件一般不采取直流电压供电，而采用振荡器 产生的交流电供电。因为在高温环境中，当湿敏元件加上直流电时，很容 易发生电极材料的迁移，从而影响传感器的正常工作。Ro为固定电阻，与 传感器电阻Rs构成分压电路。交-直流变换器的直流输出信号经运算单元运
80
70 60
50
相 对 湿 度 从 93 %降 到 30 %
40
30
0
10
20
30
40
50
时 间 /s
• 在一定温度范围内，电容值的改变与相对湿 度的改变成正比。但在高湿环境中（相对湿 度大于90%），会出现非线性。为了改善湿 度特性的线性度，提高湿敏元件的长期稳定 性和响应速度，对氧化铝薄膜表面进行纯化 处理（如盐酸处理或在蒸馏水中煮沸等）， 可以收到较为显著的效果。
9.2 湿敏传感器
• 9.2.1 湿敏电阻的工作原理 • 9.2.1 湿敏电阻的主要特性 • 9.2.3 湿敏传感器的结构 • 9.2.4 湿敏传感器的应用
9.2.1 湿敏电阻的工作原理
• 1.湿敏半导体陶瓷的导电机理 • 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上
的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的 多孔陶瓷。
2.电阻-温度特性
• 电阻-温度特性是指湿敏电阻的阻值随温度 的变化而变化的特性。对于温度传感来说， 这是一个干扰因素。可以通过在不同的温 度环境下，分别测量半导体陶瓷湿敏电阻 的电阻-温度特性二取得。从上图中可以看 到，从20°C到80°C各曲线的变化规律基本 一致，具有负温度系数，其感温负温度系 数为-0.4%RH/°C。如果要求精确的温度测 量，需要对温敏传感器进行温度补偿。
2.电解质湿敏电阻的工作机理
• 有些物质置于空气中，其含湿量与周围空 气的相对湿度有关，而含湿量大小又引起 本身电阻的变化。因此，通过这种原理制 成的传感器可将空气的相对湿度的测I量转 换为原件电阻值的测量。
1.氯化锂湿敏电阻
• 氧化锂湿敏电阻器属电解质类湿敏元件。 氯化钮( LiCl) 是一种吸湿盐类，将它涂在有 机绝缘基体上，或用多孔性合成树脂漫透 氯化锂，就构成了温敏电阻器。氯化锂湿 敏电阻器常见的有柱状和板状两种形式， 它们不但在结构上不同，而且制作工艺和 性能也不相同。
• 上图给出板状氯化锂湿敏电阻器的电阻值与 相对温度的关系曲线。如图所示，其电阻的 对数值与相对温度呈线性关系。和柱状湿敏 电阻器一样，若仅采用一个温敏电阻器，则 能检测的相对由度范围也较狭窄，必须采用 不同浓度的氯化锂湿敏电阻器才能完成 20%RH - 80%RH温度范围的检测。
9.2.2湿敏电阻的主要特性
3. 露点温度：
• 保持压力一定而降温，使混合气体中的水 蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度 称为露点温度（单位为℃），通常简称为 露点。
•
空气的相对湿度越高，就越容易结
霜。混合气体中的水蒸气压，就是在该混
合气体中露点温度下的饱和水蒸气压，因
此，通过测定空气露点的温度，就可以测
定空气的水蒸气压。
2. 电解质式湿度传感器
电极
交 流 电源
• 这种传感器的原理如
图9.20所示。两根电 ~
直 流 电源
极插在浸透氯化锂溶
液的玻璃纤维中，并
加上交流电压。由于
玻 璃 纤 维 ＋ LiC1水 溶 液
温度表
测 温 电阻 器
氯化锂水溶液能导电，
通电产生的焦耳热使
其温度升高，导致溶
液中的水分蒸发。
• 当溶液达到饱和状态时，电阻急剧增大，电流减小， 促使温度下降。由于温度下降，溶液反过来吸收大 气中的水分。通过温度的升高和下降过程的反复进 行，最后保持在一定的温度上。达到这个温度时， 说明氯化锂水溶液中的水蒸气压与周围空气的水蒸 气压相等，于是进入平衡状态。所以，测量这个温 度值，就能求出周围的水蒸气压，即可得到湿度。
电热器 (用 于 清 洗 湿 敏 元 件 )振 荡 器
~
电源
Rs
交-直 流 交换器
R0
显示器
线 性 电路
A Ur
烹 调 设备 加热
湿敏传感器安装在烹调设备（如图9.22所示的高频电 子食品加热器）的排气口，检测烹调时食品产生的湿 气。使用时首先将电热器电源接通，使湿敏元件的温 度升高到要求的工作温度。然后启动烹调设备，对食 品加热，依据湿度变化来控制烹调过程的进行。图 9.21中Ur是比较器用来判断是否停止加热的基准信号。 比较器的输出可用来对烹调设备的加热进行控制。