湿度传感器及其应用

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1．湿度的表示方法
狭义的湿度是指空气中水汽的含量，常用绝对湿度、 相对湿度和露点（或露点温度）等来表示。 （1）绝对湿度 绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积 待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度，其 数学表达式为
Mv Ha V
式中Mv——待测气体中水蒸气的质量； V ——待测气体的总体积； Ha——待测气体的绝对湿度，单位为g/m3。
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（5）感湿温度系数 湿度传感器除对环境湿度敏感外，对温度也十分敏感。 湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特性 曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温度 下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，如图3-2所 示。 湿度传感器的感湿温度系数 定义为：湿度传感器在感湿 特征量恒定的条件下，当温 度变化时，其对应相对湿度 将发生变化，这两个变化量 之比（参见式（3-3））， 称为感湿温度系数。
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二、湿度传感器的分类及工作原理
湿度传感器种类很多，没有统一分类标准。按探测 功能来分，可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露 型；按传感器的输出信号来分，可分为电阻型、电 容型和电抗型，电阻型最多，电抗型最少；按湿敏 元件工作机理来分，又分为水分子亲和力型和非水 分子亲和力型两大类，其中水分子亲和力型应用更 广泛；按材料来分，可分为陶瓷型、有机高分子型、 半导体型和电解质型等。下面按材料分类分别加以 介绍。
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（3-1）
（2）相对湿度 相对湿度为待测气体中的水蒸气压与同温度下水的 饱和蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为
PV RH 100% PW
式中 PV——某温度下待测气体的水蒸气压； PW——与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压； RH——相对湿度，单位为%RH。 （3-2）
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（3）露点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样 的空气水蒸气压下，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。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。
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（2）硅MOS型Al2O3湿度传感器 Al2O3湿度传感器根据湿敏元件制作方法不同，可 分为多孔Al2O3湿度传感器、涂覆膜状Al2O3湿度传 感器和MOS型湿度传感器。下面介绍硅MOS型湿 度传感器。 MOS型湿度传感 器具有响应速度 快、化学稳定性 好及耐高低温冲 击的性能。
图3-6 硅MOS型Al2O3湿度传感器的结构
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2．高分子湿度传感器
高分子湿度传感器包括高分子电解质薄膜湿度传感 器、高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度 传感器、结露传感器和石英振动式传感器等，下面 分别加以介绍。 （1）高分子电阻式湿度传感器 这种传感器的湿敏层为可导电的高分子，强电解质， 具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子膜 上，在低湿下，因吸附量少，不能产生电离子，所 以电阻值较高；当相对湿度增加时，吸附量也增大。 高分子电解质吸水后电离，正负离子对主要起到载 流子作用，使高分子湿度传感器的电阻下降。吸湿 量不同，高分子介质的阻值也不同，根据阻值变化 可测量相对湿度。长江工程职业技术学院自动化教研室
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（3）灵敏度 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化 的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变 1%RH时，湿度传感器的感湿特征量的变化值，也就 是该湿度传感器感湿特性曲线的斜率。 由于大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的， 在不同的湿度范围内具有不同的斜率，因此常用湿 度传感器在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表 示其灵敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下的电 阻值与在10%RH下的电阻值之比。
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1．半导体陶瓷湿度传感器
陶瓷湿度传感器具有很多优点，主要如下：测湿 范围宽，基本上可实现全湿范围内的湿度测量； 工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在 150℃以下，而高温湿度传感器的工作温度可达 800℃；响应时间短，多孔陶瓷的表面积大，易 于吸湿和脱湿；湿滞小、抗沾污、可高温清洗和 灵敏度高，稳定性好等。
湿度传感器及其应用
课题一 湿度传感器的分类及特性
任务目标 ★熟悉湿度的表示方法和湿度传感器的主要特性； ★熟悉半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子湿度 传感器的基本结构，掌握其感湿特性。
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一、湿度传感器概述
湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传 感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换 为电信号的装置 ，现代化的工农业生产及科 学实验对空气湿度的重视程度日益提高，要求 也越来越高，如果湿度不能满足要求，将会造 成不同程度的不良后果。
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（4）响应时间 当环境湿度增大时，湿敏器件有一吸湿过程，并产 生感湿特征量的变化。而当环境湿度减小时，为检 测当前湿度，湿敏器件原先所吸的湿度要消除，这 一过程称为脱湿。所以用湿敏器件检测湿度时，湿 敏器件将随之发生吸湿和脱湿过程。 在一定环境温度下，当环境湿度改变时，湿敏传感 器完成吸湿过程或脱湿过程（感湿特征量达到稳定 值的规定比例）过程所需要的时间，称为响应时间。 感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以实 际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的90%所 需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿度这一 变化区间90%的相对湿度变化所需的时间来计算。
传感器的结构
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当高分子聚合物介质吸湿后，元件的介电常数随环境 相对湿度的变化而变化，从而引起电容量的变化。
由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸湿和 脱湿，故该类传感器有滞后小和响应速度快等特点。 （3）结露传感器 结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它与一般的湿 度传感器不同之处在于它对低湿不敏感，仅对高湿敏 感，感湿特征量具有开关式变化特性。结露传感器分 为电阻型和电容型，目前广泛应用的是电阻型。
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2．湿度传感器的主要特性
（1）感湿特性 感湿特性为湿度传感器的 感湿特征量（如电阻、电 容、频率等）随环境湿度 变化的规律，常用感湿特 征量和相对湿度的关系曲 线来表示，如图3-1所示。
图3-1 湿敏元件的感湿特性曲线
按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲 线和负特性曲线 。性能良好的湿度传感器，要求 在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性 变化，其斜率大小要适中。 长江工程职业技术学院自动化教研室
高分子湿度传感器外形图
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（2）高分子电容式湿度传感器 图3-7为高分子薄膜电介质电容 式湿度传感器的结构，它是在洁 净的玻璃基片上，蒸镀一层极薄 （50nm）的梳状金质，作为下 部电极，然后在其上薄薄地涂上 一层高分子聚合物（1nm），干 燥后，再在其上蒸镀一层多孔透 水的金质作为上部电极，两极间 形成电容，最后上下电极焊接引 线，就制成了电容式高分子薄膜 湿度传感器。 图3-7 高分子薄膜电介质电容式湿度
综上所述，一个理想的湿度传感器应具备以下性能 和参数： ① 使用寿命长，长期稳定性好。 ② 灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好。 ③ 使用范围宽，感湿温度系数小。 ④ 响应时间短。 ⑤ 湿滞回差小，测量精度高。 ⑥ 能在有害气氛的恶劣环境下使用。 ⑦ 器件的一致性、互换性好，易于批量生产，成本 低。 ⑧ 器件的感湿特征量应在易测范围以内。
（2）湿度量程 湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围称 为湿度量程。一般来说，使用时不得超过湿度量程规 定值。所以在应用中，希望湿度传感器的湿度量程越 大越好，以0%~100%RH为最佳。 湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全 湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于70%RH的场 合；低湿型适用于相对湿度小于40%RH场合；而全湿 型则适用于0%~100%RH的场合。
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饱和水蒸气压与气体的温度和气体的压力有关。 当温度和压力变化时，因饱和水蒸气压变化，所 以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也会 发生变化，温度越高，饱和水蒸气压越大。日常 生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度 而言。凡谈到相对湿度，必须同时说明环境温度， 否则，所说的相对湿度就失去确定的意义。
（7）老化特性 老化特性为湿度传感器在一定温度、湿度环境下，存 放一定时间后，由于尘土、油污、有害气体等的影响， 其感湿特性将发生变化的特性。 （8）互换性 湿度传感器的一致性和互换性差。当使用中湿度传感 器被损坏，那么有时即使换上同一型号的传感器也需 要再次进行调试。
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半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为： 烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。
陶瓷湿度传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2 （铬酸镁-二氧化钛）系、ZnO-Cr2O3（氧化锌-三 氧化二铬）系、ZrO2（二氧化锆）系、Al2O3（三 氧化铝）系、TiO2-V2O5（二氧化钛-五氧化二钒） 系和Fe3O4（四氧化三铁）系等。它们的感湿特 征量大多数为电阻，除Fe3O4系外，都为负特性 湿敏传感器，即随着环境湿度的增加电阻值降低。 下面介绍其典型品种。
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半导体陶瓷湿度传感器
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（1）MgCr2O4-TiO2系湿度传感器 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器为烧结型，其结构如图3-4 所示。
图3-4 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器结构
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制作方法 ：
以MgCr2O4为基础材料，加入适量的TiO2，在 1300℃左右烧结而成，然后切割成所需薄片，在 MgCr2O4-TiO2陶瓷薄片两面涂覆氧化钌（RuO2）多 孔电极，并于800℃下烧结，制成感湿体，电极与 引出线烧结在一起，引线为Pt-Ir（铂-铱）丝。在 感湿体外设置由镍铬丝烧制而成的加热清洗线圈， 此线圈的作用主要是通过加热排除附着在感湿片 上的有害物质（如水分、油污、有机物和灰尘 等），以恢复对水汽的吸附能力。常用450℃每分 钟的条件对陶瓷表面进行热清洗。
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MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线如图3-5所示， 该湿度传感器的特点是体积小、感湿灵敏度适中，电 阻率低，阻值随相对湿度的变化特性好，测量范围宽， 可测量0~100%RH，响应速度快，响应时间可小至几秒。
图3-5 MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线
图3-2 湿敏元件的温度特性 （3-3）
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显然，湿度传感器感湿特性曲线随温度的变化越大， 由感湿特征量所表示的环境湿度与实际的环境湿度 之间的误差就越大，即感湿温度系数越大。因此， 环境温度的不同将直接影响湿度传感器的测量误差。 故在环境温度变化比较大的地方测量湿度时，必须 进行修正或外接补偿。 湿度传感器的感湿温度系数越小越好。传感器的感 湿温度系数越小，在使用中受环境温度的影响也就 越小，传感器就越实用。一般湿度传感器的感湿温 度系数在0.2~0.8%RH/℃。
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（6）湿滞特性
一般情况下，湿度传感器不仅在吸 湿和脱湿两种情况下的响应时间有 所不同（大多数湿敏器件的脱湿响 应时间大于吸湿响应时间），而且 其感湿特性曲线也不重合。在吸湿 和脱湿时，两种感湿特性曲线形成 一个环形线，称为湿滞回线。湿度 图3-3 湿度传感器的湿滞 传感器这一特性称为湿滞特性，如 特性 图3-3所示。 湿滞回差表示在湿滞回线上，同一感湿特征量值下， 吸湿和脱湿两种感湿特性曲线所对应的两湿度的最大 差值。在电阻为X值时，ΔRH=RHH-RHL，显然湿度传感 器的湿滞回差越小越好。 长江工程职业技术学院自动化教研室