湿敏传感器

2 20 2 00 1 80
电阻 /
1 60 1 40 1 20 1 00 80 0 20 40 60 80 相对湿度 / %RH 1 00
图 7-36
Fe3O4半导瓷的正湿敏特性
3. 典型半导瓷湿敏元件
（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛 湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，这种多孔陶 瓷的气孔大部分为粒间气孔 ,气孔直径随TiO2添加量的增加而增 大。粒间气孔与颗粒大小无关, 相当于一种开口毛细管,容易吸附 水分。材料的主晶相是 MgCr2O4 相 , 此外 , 还有 TiO2 相等 , 感湿体 是一个多晶多相的混合物。
7.3.1 电解质式（氯化锂）湿敏电阻
电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解
质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地
离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液 的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下
又是环境相对湿度的函数。
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。它由引线、基片、感湿层与电极组成， 如 图7-33所示。
氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速
影响， 检测精度高达±５%
缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量， 器件性能重复
性不理想，使用寿命短
半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成 为多孔陶瓷。这些材料有 ZnO-LiO2-V2O5 系、 Si-Na2O-V2O5 系、 TiO2-MgO-Cr2O3 系、 Fe3O4 等，前三种材料的电阻率随湿度增 加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率 随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简称半
1 4
2 3 1 —引线；2 —基片； 3 —感湿层；4 —金电极
图7-33 湿敏电阻结构示意图
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl） 溶液中， Li和 Cl 均以正负离子的形式存在，而 Li ＋对水分 子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能
力与浓度成正比。 当溶液置于一定温湿场中，若环境相
湿敏传感器的分类
电解质式 电阻式
陶瓷式 高分子式
陶瓷式
湿敏传感器
电容式 高分子式 光纤湿敏传感器 其它 界限电流式湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等
湿敏传感器在精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象 预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。
电阻式湿敏传感器
• 电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿 度变化的基本原理来进行工作的，其感湿 特征量为电阻值。 • 根据使用感湿材料的不同，电阻式湿 敏传感器可分为： • 电解质式 • 陶瓷式 • 高分子式
108 107 106 105 104 103 20 40
60
80 100 相对湿度/%
MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度传感器的结构相对湿度与电阻的关系
电阻—温度特性
下图是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器 的电阻—温度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线 的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度 系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需 要对湿度传感器进行温度补偿。
它是负特性半导瓷， MgCr2O4 为Ｐ型半导体，它的电阻率 低，阻值温度特性好.
结构: 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电 极。 金电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差， 在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件 加热清洗， 排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装 在陶瓷基片上， 电极引线一般采用铂—铱合金。
正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的 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，但这 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。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。
50 60 70 80 相对湿度 / %RH
90
图7-34 氯化锂湿度—电阻特性曲线
由图可知，在 50%~80% 相对湿度范围内，电阻与湿度的变 化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化 锂 （ LiCl ） 含量 不 同的器 件 组合使 用 ，如将 测 量范围 分 别为 （ 10% ～ 20% ） RH 、（ 20% ～ 40% ） RH 、（ 40% ～ 70% ） RH 、 （70%～90%）RH和（80%～99%）RH五种器件配合使用，就 可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。
1 06 1 05
电阻 /
3
2
1
1 04 1 03
0
2 0 4 0 6 0 8 0 1 00 相对湿度 / %RH
1 —Zn O—LiO 2 —V 2 O5 系； 2 —Si—Na 2 O—V 2 O5 系； 3 —TiO —MgO—Cr O系 2 2 3
图 7-35 几种半导瓷湿敏负特性
2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理
108 107 R/Ω 20℃ 40℃
106
105 104 103 20
60℃
80℃
40
60
80 100 相对湿度/%
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性
响应时间
响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中 可知，响应时间小于10s。
%RH 100 80 60 40 1%RH 50%RH 94%RH 50%RH
相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际
使用中多使用相对湿度这一概念。
露点（温度）
• 在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当 温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到 饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠， 这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温 度，相对湿度为100％RH。 • 如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为 霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越 小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。
•常温常湿试验 [ 湿度 (10 ～ 90) ％ RH ，温度 (–10℃～＋ 40℃)]； •油气循环试验 ( 油蒸气 ↔ 加热清洗循环 25 万次，交流 电压5V)。
经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可 靠地工作，说明稳定性比较好。
（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构 是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊 上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用 树脂固定，其结构如图7-39所示。
20
0
10
20
30
t /s
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
稳定性
制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：
• 高温负荷实验 ( 大气中，温度 150℃，交流电压 5V ， 时间104h)； •高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交 流电压5V，时间104h)；
湿敏传感器的定义
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过 器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化 成有用信号的器件。 主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路， 除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、 温度补偿、输出显示设备等
一个理想的湿敏传感器应具备的性能
• 使用寿命长，稳定性好 • 灵敏度高，线性度好，温度系数小 • 使用范围宽，测量精度高 • 响应迅速 • 湿滞回差小，重现性好 • 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好 • 器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低 • 器件感湿特征量应在易测范围内
7.3 湿 敏 传 感 器
湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对 湿度两种表示方法。
绝对湿度：指在一定温度和压力条件下， 每单位体积的混合气
体中ห้องสมุดไป่ตู้含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。
相对湿度：气体的绝对湿度与在同一温度下，水蒸汽已达到饱
和的气体的绝对湿度之比，常表示为％RH。
一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间 的63％作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数， 它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度 的快慢。单位是s。
也有规定从起始到终止90％的相对湿度变化作为响 应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时 间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应 时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。
ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差； H1—— 温度 25℃时湿度传感器某一电阻值 ( 或电容值 ) 对应的相对 湿度值； H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值 ( 或电容值 ) 对 应的相对湿度。
响应时间
在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感 器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。
对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液 电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升
高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏
元件的电阻—湿度特性曲线如图7-34所示。
7 .0 6 .5 6 .0 5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40
吸附 脱附 1 5℃
电阻值的对数 /
湿度量程
• 指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范 围。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH 表示，它是湿度传感器工作性能的一项重 要指标。
感湿灵敏度
简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相 对湿度范围内，相对湿度改变1％RH时，湿度传感器电 参量的变化值或百分率。 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同， 对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄， 要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵 敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二 次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。
湿敏传感器的主要参数及特性
• • • • • • 感湿特性 湿度量程 灵敏度 湿滞特性 响应时间 感湿温度系数
• 老化特性
感湿特性
每种湿度传感器都有其 感湿特征量，如电阻、电容等， 通常用电阻比较多。以电阻为 例，在规定的工作湿度范围内， 湿度传感器的电阻值随环境湿 度变化的关系特性曲线，简称 阻湿特性。 有的湿度传感器的电阻值 随湿度的增加而增大，这种为 正特性湿敏电阻器，如Fe3O4 湿敏电阻器。有的阻值随着湿 度的增加而减小，这种为负特 性湿敏电阻器，如TiO2－ SnO2陶瓷湿敏电阻器。
湿滞特性
感湿温度系数
反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。 它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值 ( 或电容值 ) 达 到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比， 称为感湿温度系数。或环境温度每变化1℃时，所引起的湿度传感 器的湿度误差。感湿温度系数
H1 H 2 (%RH/℃)= T
金属电极 湿敏陶瓷片 加热线圈 固定端子
陶瓷基片
引线
图7-37 MgCr2O4-TiO2陶瓷
主要特性与性能 （1）电阻一湿度特性 MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着 相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单 对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由 0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量 级。 R/Ω
导瓷)。
1. 负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷 表面吸附时，就有可能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，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降 若该半导瓷为Ｎ型，则由于水分子的附着使表面电势下降， 如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽， 同时吸引 更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于 电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。 它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料 的表面电阻下降 不论是Ｎ型还是Ｐ型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而 下降