湿敏器件

1、质量百分比和体积百分比
质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则 质量百分比为 m／M×100％
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在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则
体积百分比为 v／V×100％
这两种方法统称为水蒸气百分含量法。
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应用: 半导体净化车间Leabharlann 2013-7-313
应用: 温室
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应用: 气象
玉山
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应用: 文物保护: 敦煌 材料学院 School of Mater
30%RH时，极易产生静电而影响生产。
• 又如，仓库的湿度过大，会使存放的物质变质或霉烂。在农业的育苗、栽培、 生产以及保鲜等方面也都需要对湿度进行测量和控制。为了使人们生活环境 舒适，现代的空调系统不仅能控制温度，而且要控制湿度。从上面的情况可 以看出，湿敏元件的应用领域是十分广阔的。
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RH
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p 100% ps
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绝对湿度(用符号AH表示)表示单位体积内，空气里所含水 蒸气的质量，其定义为
m v V
m——待测空气中水蒸气质量； V——待测空气的总体积； ρv——待测空气的绝对湿度。
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应用: 健康
玉山
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• 湿敏元件的应用领域简介 • 随着现代工业和科学技术的发展以及人们对环境要求的提高，对湿度的测量
和控制显得日益重要。
• 例如，在具有粉尘作业和电火工品生产的车间，当因湿度小而产生静电时， 常会发生爆炸事故。在大规模集成电路的生产过程中，当相对湿度低于
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右图表示湿度传感器的电阻与外 加交流电压之间的关系。可见， 测试电压小于5V时，电压对阻— —湿特性没有影响。但交流电压 大于15V时，由于产生焦耳热， 对湿度传感器的阻——湿特性产 生了较大影响，因而一般湿度传 感的使用电压都小于10V。
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2、相对湿度和绝对湿度
水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存
在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，
混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱
和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸
气压的百分比，称为相对湿度(用符号%RH表示)
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第九章 湿敏元器件
--特性参数随环境湿度变化而明显变化的敏感元件。
湿度传感器是指对环境湿度具有响应并能转换成可测信号 （如电阻、电容或频率等）的器件。
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一、应用 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、湿敏 防伪技术、洗衣干燥机的自控、磁带录像机和 汽车窗玻璃的防止结露、尿布沾湿报警等行业 都有广泛的应用。
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（7）、电压特性 当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电 压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导 率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压。
Lg R /Ω 20℃ 100Hz 11% RH 33% RH
• 湿敏晶体管
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湿敏电阻器根据使用不同的材料又可分为： 电解质型（化合物湿敏电阻器）：以氯化锂为例，它在 绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂 极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。 陶瓷型（金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器）：一般以
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水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害
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湿度对电子元件的影响
当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水 膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏 电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起 有机材料的霉烂。
如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元 理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方
程，可得出：

pM RT
P：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量 R：理想气体常数；
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T：空气的绝对温度。
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材料学院 School of Mater 3、露（霜）点
水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空
g /m3 % rH Pa
湿度 等级

露点
水分含量 潮湿度 蒸汽浓度 蒸汽浓度 热含量
td
ppm g / kg g / cm3 g / kg kJ / kg
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空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气 是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相 对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。
如果这一温度低于 露点/℃ 50 0℃ 时 ， 水 蒸 气 将 结霜，又称为霜点 40 温度。两者统称为 30 露点。空气中水蒸 20 气压越小，露点越 10 低，因而可用露点 0 表示空气中的湿度。
-10
90%RH 80%RH 70%RH 60%RH 50%RH 40%RH 30%RH 20%RH 10%RH
封装后 的外形
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材料学院 School of Mater 电子式温湿度计
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机械式、电子式温湿度计对比
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• 二、分类
• 湿度传感器依据物理量可分为三大类: • 湿敏电阻器 • 湿敏电容器
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四、湿度的表示法
湿度是什么？
湿度是水分子在气体中的客观存在 空气 空气
水
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饱和状态
不饱和状态
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湿度的表示方式
蒸汽浓 度 水蒸汽 压 露点温 度
绝对湿度 相对湿度 水蒸气分压
金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。
利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。
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高分子型湿敏电阻器：先在玻璃等绝缘基板上蒸
发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着
一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类
也很多,工作原理也各不相同。
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R 25℃ T2 T2 C T2 25℃ T2
H2
H1 H2 相对湿度/%
H2
H1 H2 相对湿度/%
(a) 电阻型
(b)电容型
感湿温度系数示意图
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• 另外还有几个重要的参数： • （1）开关特性:指湿敏元件电参量在湿度达到某一值时所发 生的阶跃特性。 • （2）热滞效应:指在一定湿度下，湿敏元件从一个环境温度 移入另一个环境温度时电参量的滞后现象。 • （3）热滞时间:指在一定湿度下，湿敏元件从一个环境温度 移入另一个环境温度时，电参量达到平衡所需的时间。 • （4）分辨率:指湿敏元件检测湿度最小变化的能力。 • （5）额定电压:指湿敏元件长期连续工作时允许施加的最高 电压。 • （6）额定电流:指湿敏元件长朝连续工作时允许施加的最大 电流。
单晶半导体型（元素材料湿敏电阻器）：所用材
料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二
极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特 点是易于和半导体电路集成在一起。
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• 湿敏电容器主要是多孔Al2O3材料作为介质 制成的；
• 湿敏晶体管又分为湿敏二极管和湿敏三极 管
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露点
降低温度会产 生结露现象。露点 与农作物的生长有
很大关系，结露也
严重影响电子仪器 的正常工作，必须 予以注意。
测量露点的仪器
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露点传感器外形
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材料学院 School of Mater 电子湿度计模块
气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下
水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时， 空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此 时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿 度为100％RH。该温度，称为空气的露点温度，简称露点。
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湿滞回线和湿滞量
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在一定环境温度下，当相对湿度发生改变时，湿度传感器的 感湿特征量达到稳定变化时所需要的时间。一般以相应的起 响应 始湿度和达到终止湿度稳定响应的90%所需的时间来计算响 时间 应时间，由于它直接地反映了湿度传感器在湿度变化时反应 速率的快慢，所以它是重要特性参数之一。 当环境湿度恒定时，温度每变化1℃，引起湿度传感器相对湿 温度 度的变化量。它是表示湿度传感器的感湿特性曲线随环境温 系数 度变化的特性参数。其单位为%RH/℃ 湿度传感器在一定温度、湿度的气氛下存放一定时间后，其 耐久 感湿特性将发生变化。这是关系到湿度传感器实用化的重要 性 特性。
将相应地出现空穴积累，因而导致半导体陶瓷电阻率的降低。
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• 另外，根据离子导电原理，结构不致密的半导 体陶瓷晶粒间有一定空隙，呈多孔毛细管状。 水分子可以通过这种细孔在各晶粒表面和晶粒 之间处吸附，由于吸附的水分子可离解出大量 的导电离子，这些离子在水吸附层中起着电荷 的输运作用。 • 因此，随环境湿度的增加，水分子在晶粒表面 和间界大量吸附，而引起电子电导和离子电导 的加剧，半导体陶瓷显示负感湿特性，即随着 湿度的增加，材料的电阻率下降。
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• 三、金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器工作原理
• 多孔型的金属氧化物半导体陶瓷的多晶体，在晶粒表面及晶粒
间界处，很容易吸附水分子。
• 水是一种强极性电介质，水分子的氢原子附近有很强的正电场， 具有很大的电子亲和力。当水分子在半导体陶瓷表面附着时， 将形成能级很深的附加表面受主态，而从半导体陶瓷表面俘获 电子，而在陶瓷表面形成束缚态的负空间电荷，在近表面层中
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温度/℃
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•五、湿度传感器的主要参数
干湿温度系数 （温度系数） 湿度量程
响应时间
主要 特性参数
感湿特性
湿滞特性 老化特性 （耐久性）
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灵敏度
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表示湿度传感器的感湿范围。最理想的湿度传感器应该是全量程、高 湿度 精度、高稳定、易测量，但这很难得到。所以，为适合某一湿度量程， 量程 分为三种类型：高湿型（>70%RH)、低湿型（<40%RH）、全湿型 （0-100%RH). 湿度传感器特征量（电阻、电容、频率、击穿电压等）随湿度（相对 感湿 湿度、绝对湿度）变化的关系。 特性 它常用感湿特征量——相对湿度特性曲线来表示。
灵敏 湿度传感器其感应特征量（如电阻、电容等）随环境湿度变化的程度。 度 也即传感器感湿特性曲线的斜率。
湿度传感器在吸湿过程中，吸湿曲线与脱湿曲线并不相重合，而形成 湿滞 一个环形回线，这一特性为湿滞特性。常用湿滞回差作为该特性参数， 特性 可用同一特征量值所对应的相对湿度的最大差值来表征。该值大小， 对湿度测量仪表应用时，是非常重要的参数，其值越小越好