半导体敏感元件(湿度)
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沈 阳 工 业 大 学
湿度传感器
课程内容
1 湿度表示方法
沈 阳 工 业 大 学
2 湿敏传感器分类
3 湿度传感器的主要参数 4 几种常用测量湿度方法 5 半导体陶瓷湿敏元件 6 元素半导体湿敏元件
7 半导体结型和MOS型湿敏元件
8 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
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）
沈 阳 工 业 大 学
日本松下公司MgCr2O4-TiO2系多功能传感器典型特性
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.3 MgCr2O4-TiO2湿敏元件工艺
沈 阳 工 业 大 学
⑴ 材料制备
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 后，制成粒径合适的粉料。
v
露点温度
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而 凝结成露珠,相对湿度为100％RH，这一特定温度称为空气露点温度。 霜点温度
如果露点温度低于0℃时,水蒸气将结霜,称为霜点温度。
统称露点
2 湿敏传感器分类
按湿敏元件输出的电学量
沈 阳 工 业 大 学
按探测功能
电阻式、电容式和频率式等；
R/Ω
104
25℃
103 40℃ 102 50℃
10
0 20 40 60 相对湿度/% 80
100
聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性
10 湿敏传感器的应用
10.1 湿敏元件的标定
沈 阳 工 业 大 学
饱和盐溶液法（湿度固定点法）
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。
4 几种常用测量湿度方法
毛发湿度计
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%～ 100%RH。
沈 阳 工 业 大 学
干湿球式温湿度计
电子式温湿度计
5电解质湿度传感器
原理
沈 阳 工 业 大 学
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ห้องสมุดไป่ตู้时间
沈 阳 工 业 大 学
K t K(1 e )
-
t
注：通常脱湿响应时间大于吸湿相应时间；
G 湿滞回线和湿滞回差
H 电压特性
加直流电压，会引起湿敏元件的感湿体内水分 子电解，致使其电导率随时间的延长而下降。故采
E 感湿温度系数
B 感湿特征 量 C 感湿灵敏度
例：R1%/ R20%
R2 R1 100 电阻温度系数(%/℃)= D 特征量温度系数 R1T C C1 电容温度系数(%/℃)= 2 100 C1T
ΔT—温度25℃与另一规定环境温度之差；
H 2 H1 感湿温度系数(%RH/℃)= T
材料
用Ge，Si或C等薄膜制成的；
沈 阳 工 业 大 学
原理 当环境湿度发生变化时，水分子的吸附将改变晶粒的表面态的占据情
况，以及影响晶粒界面的势垒高度，有效的改变薄膜的电阻。
硅（Si）烧结型湿敏元件
在Al2O3基片上，烧结一对金电极，涂覆一层Si湿敏材料。
结构 感湿特性曲线
8 半导体结型和MOS型湿敏元件
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 阳
⑵ 响应时间
⑴ 阻-湿特性
R R 0 e RH
吸湿和脱湿响应时间约为10s； ⑶ 加热清洗特性
工 业 大 学
⑷ 气敏特性
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
等效电路阻抗：
Z
1 1 jC0 R0 R1 1 1 1 jC2 R2
剖面图
等效电路
6 半导体陶瓷湿敏元件
多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
沈 阳 工 业 大 学
(1)感湿特性
膜厚度对其感湿特性的影响。
总结： 对以Cp为感湿特征量的元件，厚度越小，越好；
6 半导体陶瓷湿敏元件
多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
沈 阳 工 业 大 学
类型 特点
测湿范围宽，工作温度高，响应时间短、精度高；
陶瓷湿敏元件利用其表面多孔性吸湿导电。 B 质子导电理论
感湿机理
A 电子导电理论 水分子特点
C 电子-质子混合导电理论
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 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
相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种； 按材料
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。
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） 高湿型（70%RH-100%RH） 全湿型（0-100%RH）
沈 阳 工 业 大 学
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。
7 .0 6 .5 6 .0 5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40 50 60 70 80 相对湿度 / %RH 90
感湿膜
吸附 脱附 1 5℃
R 梳状
柱状
氯化锂湿度—电阻特性曲线
电阻值的对数 /
6 半导体陶瓷湿敏元件
材料 金属氧化物半导体陶瓷 烧结型、厚膜型和薄膜型
湿敏二极管
沈 阳 工 业 大 学
结构 表面态能级填充引 起肖特基势垒变化。 I-V曲线
8半导体结型和MOS型湿敏元件
湿敏MOSFET
（MOSFET）的栅极上涂覆一层感湿薄膜，再在感湿薄膜上增
设一个金属电极构成。
沈 阳 工 业 大 学
湿敏MOSFET是N沟道耗尽型，在栅 压为零时，有沟道存在，工作时，无需外
沈 阳 工 业 大 学
(1)感湿特性
膜厚度对其感湿特性的影响。
总结： 对以Rp为感湿特征量的元件，厚度越大，有利于提高灵敏度；
6半导体陶瓷湿敏元件
多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
沈 阳 工 业 大 学
函数关系：
Cp AeBT C
Cp值越大，Cp随露点温度变化越明显，元件灵敏度越高。
⑵ 响应时间
0 50 相对湿度/% 100
（3）电容一温度特性
电容—湿度特性
电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在5℃~50℃
范围内,电容温度系数约为0.06％RH/℃。
9.高分子湿度传感器
电阻式高分子膜湿度传感器
引线端 感湿膜
沈 阳 工 业 大 学
（1）聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器 （2）电阻—湿度特性
环境温度越高，通气流速越大，响应时间越短；
测量绝对湿度的感湿特性曲线
⑶ 湿滞特性
阳极氧化时生成的多孔Al2O3有多个解理面，易于产生裂纹，以致在该处易于聚集 水分而成缓慢的扩散源。气孔孔型不规则，分布不均匀，外电极上有机物的玷污，过厚 的外电极金属膜以及过大的感湿面积等，都是湿滞的原因。
7 元素半导体湿敏元件
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。
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 阳 工 业
6.1 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏元件结构
多孔RuO2电极
加热器
感湿陶瓷
金隔漏环
陶瓷基板
大 学
电极引线 （Pt-Ir）
用交流电压。
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
干湿球式湿度计
沈 阳 工 业 大 学
干 球 温 度 计
湿 球 温 度 计
刻度盘
纱布
水槽
4 几种常用测量湿度方法
原理
干湿球式湿度计
沈 阳 工 业 大 学
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
A 电子导电理论
感湿机理
沈 阳
N型金属氧化物半导体
A
B
工
Ei
业 大 学
A 过程： 正感湿过程。
B 过程：随着相对湿度增加，界面积累的空穴浓度将超过导带中原有
电子浓度，出现反型层，界面电阻率下降，呈现负感湿特性。
加栅压。
9.高分子湿度传感器
原理
利用有机高分子材料吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常 数明显改变，制成电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变 化，制成电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子， 在吸湿之后的开关特性，制成结露传感器。
沈 阳 工 业 大 学
湿度：大气中含有水蒸气的多少,表明大气的干湿程度。
沈 阳 工 业 大 学
相对湿度
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 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。
在某一温度下，其水蒸气压同其饱和蒸气压的百分比。
RH p 100% ps
常表示为%RH；
绝对湿度
单位体积内,空气里所含水蒸气的质量。
6 半导体陶瓷湿敏元件
ZrO2厚膜湿敏元件的特性
沈 阳 工 业 大 学
⑴ 湿度、温度特性
在低湿度时 ，温度对阻-湿特性影响较大。 在相对湿度不变的情况下，随温度的上升，阻
值减小，呈现出NTC热敏电阻特性。
⑵ 响应特性
湿度从84%RH变化到53% RH时响应速度
要慢些，即脱湿过程慢。在室温下吸湿时间为 20 s，脱湿时间约为1min。
感湿机理 沈 阳 工 业 大 学
可得：
C2 R 2 2 C P C0 2 2 (R 1 R 2 ) 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
2 R1 R 2 2 C2 R1 R 2 1 1 2 2 2 R p R 0 (R 1 R 2 ) 2 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构
高分子薄膜
上部电极
下部电极
9.高分子湿度传感器
传感器特性
沈 阳 工 业 大 学
（1）电容—湿度特性
传感器的电容量变化很大, 线性度欠佳,可外接 转换电路, 电容—湿度特性趋于理想直线。
C/pF 350 （f=1.5MHZ） 300 250
（2）响应特性
高分子薄膜可以做得极薄，吸湿响应时间都 200 很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。
化学性能稳定），RuO2电极具有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面。
(5)安置加热器
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.4 ZrO2厚膜陶瓷湿敏元件 沈 阳 工 业 大 学
厚膜陶瓷感湿机理 ZrO2-Y2O3的固溶体简称YSZ
由于物理吸附的水，在湿敏感湿层的表面上进行解离而产生质子，实 际是质子导电。
工艺 元件的结构
⑵ 成型
在加工好的粉料中加入有机粘合剂，搅拌 均匀后，装入模具内，经压力机加压成型。
⑶ 烧成
从室温升到300℃左右，适当保温一段时间，把粘合剂从陶瓷胚体中排出，防
止高温烧结时粘合剂燃烧出现裂纹。然后升温，在1300 ℃下保温2-4h。
⑷ 电极制作
选用Ru（钌）O2，RuO2材料方块电阻小（热膨胀系数相当、附着力好，
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.5 多孔Al2O3湿敏元件
沈 阳
类型
片状、棒状、针状
多孔Al2O3膜区 致密Al2O3膜区 下电极
元件结构
工 业 大 学
元件核心：
具有感湿特性的多孔Al2O3膜；
上电极（Au）
电极引线
工艺：
电极引线
采用阳极氧化法制备；
片状多孔Al2O3湿敏元件结构
6 半导体陶瓷湿敏元件
6 半导体陶瓷湿敏元件
B 质子导电理论
感湿机理
沈 阳 工 业 大 学
化学吸附产生电场促进物 理吸附水的分解，其电荷输运 是通过一个质子附载在水分子 上形成水合氢离子进行的，表 现为负感湿特性。
2H2 O H3O OHC 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
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
表面能级
表面受主态能级 成对出现 表面施主态能级 P型金属氧化物半导体 水分子在晶粒表面吸附，在价 带上方产生新的能级，相对湿度增 本征表面态
阳 工 业 大 学
大时，表面吸附的水增多，增加了
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
R/Ω
10M 1M 100K 10K 1K 30 脱湿 40 50 60 70 80 90 相对湿度/% 吸湿 Δ<±3%RH 梳状电极
基片
电阻—湿度特性
9.高分子湿度传感器
电阻式高分子膜湿度传感器
沈 （3）温度特性 阳 工 业 大 学
聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在 (0～55)℃时，温度系数为(–0.6％～–1.0％)RH/℃。
湿度传感器
课程内容
1 湿度表示方法
沈 阳 工 业 大 学
2 湿敏传感器分类
3 湿度传感器的主要参数 4 几种常用测量湿度方法 5 半导体陶瓷湿敏元件 6 元素半导体湿敏元件
7 半导体结型和MOS型湿敏元件
8 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
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）
沈 阳 工 业 大 学
日本松下公司MgCr2O4-TiO2系多功能传感器典型特性
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.3 MgCr2O4-TiO2湿敏元件工艺
沈 阳 工 业 大 学
⑴ 材料制备
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 后，制成粒径合适的粉料。
v
露点温度
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而 凝结成露珠,相对湿度为100％RH，这一特定温度称为空气露点温度。 霜点温度
如果露点温度低于0℃时,水蒸气将结霜,称为霜点温度。
统称露点
2 湿敏传感器分类
按湿敏元件输出的电学量
沈 阳 工 业 大 学
按探测功能
电阻式、电容式和频率式等；
R/Ω
104
25℃
103 40℃ 102 50℃
10
0 20 40 60 相对湿度/% 80
100
聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性
10 湿敏传感器的应用
10.1 湿敏元件的标定
沈 阳 工 业 大 学
饱和盐溶液法（湿度固定点法）
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。
4 几种常用测量湿度方法
毛发湿度计
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%～ 100%RH。
沈 阳 工 业 大 学
干湿球式温湿度计
电子式温湿度计
5电解质湿度传感器
原理
沈 阳 工 业 大 学
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ห้องสมุดไป่ตู้时间
沈 阳 工 业 大 学
K t K(1 e )
-
t
注：通常脱湿响应时间大于吸湿相应时间；
G 湿滞回线和湿滞回差
H 电压特性
加直流电压，会引起湿敏元件的感湿体内水分 子电解，致使其电导率随时间的延长而下降。故采
E 感湿温度系数
B 感湿特征 量 C 感湿灵敏度
例：R1%/ R20%
R2 R1 100 电阻温度系数(%/℃)= D 特征量温度系数 R1T C C1 电容温度系数(%/℃)= 2 100 C1T
ΔT—温度25℃与另一规定环境温度之差；
H 2 H1 感湿温度系数(%RH/℃)= T
材料
用Ge，Si或C等薄膜制成的；
沈 阳 工 业 大 学
原理 当环境湿度发生变化时，水分子的吸附将改变晶粒的表面态的占据情
况，以及影响晶粒界面的势垒高度，有效的改变薄膜的电阻。
硅（Si）烧结型湿敏元件
在Al2O3基片上，烧结一对金电极，涂覆一层Si湿敏材料。
结构 感湿特性曲线
8 半导体结型和MOS型湿敏元件
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 阳
⑵ 响应时间
⑴ 阻-湿特性
R R 0 e RH
吸湿和脱湿响应时间约为10s； ⑶ 加热清洗特性
工 业 大 学
⑷ 气敏特性
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
等效电路阻抗：
Z
1 1 jC0 R0 R1 1 1 1 jC2 R2
剖面图
等效电路
6 半导体陶瓷湿敏元件
多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
沈 阳 工 业 大 学
(1)感湿特性
膜厚度对其感湿特性的影响。
总结： 对以Cp为感湿特征量的元件，厚度越小，越好；
6 半导体陶瓷湿敏元件
多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
沈 阳 工 业 大 学
类型 特点
测湿范围宽，工作温度高，响应时间短、精度高；
陶瓷湿敏元件利用其表面多孔性吸湿导电。 B 质子导电理论
感湿机理
A 电子导电理论 水分子特点
C 电子-质子混合导电理论
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 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
相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种； 按材料
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。
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） 高湿型（70%RH-100%RH） 全湿型（0-100%RH）
沈 阳 工 业 大 学
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。
7 .0 6 .5 6 .0 5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40 50 60 70 80 相对湿度 / %RH 90
感湿膜
吸附 脱附 1 5℃
R 梳状
柱状
氯化锂湿度—电阻特性曲线
电阻值的对数 /
6 半导体陶瓷湿敏元件
材料 金属氧化物半导体陶瓷 烧结型、厚膜型和薄膜型
湿敏二极管
沈 阳 工 业 大 学
结构 表面态能级填充引 起肖特基势垒变化。 I-V曲线
8半导体结型和MOS型湿敏元件
湿敏MOSFET
（MOSFET）的栅极上涂覆一层感湿薄膜，再在感湿薄膜上增
设一个金属电极构成。
沈 阳 工 业 大 学
湿敏MOSFET是N沟道耗尽型，在栅 压为零时，有沟道存在，工作时，无需外
沈 阳 工 业 大 学
(1)感湿特性
膜厚度对其感湿特性的影响。
总结： 对以Rp为感湿特征量的元件，厚度越大，有利于提高灵敏度；
6半导体陶瓷湿敏元件
多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
沈 阳 工 业 大 学
函数关系：
Cp AeBT C
Cp值越大，Cp随露点温度变化越明显，元件灵敏度越高。
⑵ 响应时间
0 50 相对湿度/% 100
（3）电容一温度特性
电容—湿度特性
电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在5℃~50℃
范围内,电容温度系数约为0.06％RH/℃。
9.高分子湿度传感器
电阻式高分子膜湿度传感器
引线端 感湿膜
沈 阳 工 业 大 学
（1）聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器 （2）电阻—湿度特性
环境温度越高，通气流速越大，响应时间越短；
测量绝对湿度的感湿特性曲线
⑶ 湿滞特性
阳极氧化时生成的多孔Al2O3有多个解理面，易于产生裂纹，以致在该处易于聚集 水分而成缓慢的扩散源。气孔孔型不规则，分布不均匀，外电极上有机物的玷污，过厚 的外电极金属膜以及过大的感湿面积等，都是湿滞的原因。
7 元素半导体湿敏元件
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。
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 阳 工 业
6.1 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏元件结构
多孔RuO2电极
加热器
感湿陶瓷
金隔漏环
陶瓷基板
大 学
电极引线 （Pt-Ir）
用交流电压。
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
干湿球式湿度计
沈 阳 工 业 大 学
干 球 温 度 计
湿 球 温 度 计
刻度盘
纱布
水槽
4 几种常用测量湿度方法
原理
干湿球式湿度计
沈 阳 工 业 大 学
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
A 电子导电理论
感湿机理
沈 阳
N型金属氧化物半导体
A
B
工
Ei
业 大 学
A 过程： 正感湿过程。
B 过程：随着相对湿度增加，界面积累的空穴浓度将超过导带中原有
电子浓度，出现反型层，界面电阻率下降，呈现负感湿特性。
加栅压。
9.高分子湿度传感器
原理
利用有机高分子材料吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常 数明显改变，制成电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变 化，制成电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子， 在吸湿之后的开关特性，制成结露传感器。
沈 阳 工 业 大 学
湿度：大气中含有水蒸气的多少,表明大气的干湿程度。
沈 阳 工 业 大 学
相对湿度
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 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。
在某一温度下，其水蒸气压同其饱和蒸气压的百分比。
RH p 100% ps
常表示为%RH；
绝对湿度
单位体积内,空气里所含水蒸气的质量。
6 半导体陶瓷湿敏元件
ZrO2厚膜湿敏元件的特性
沈 阳 工 业 大 学
⑴ 湿度、温度特性
在低湿度时 ，温度对阻-湿特性影响较大。 在相对湿度不变的情况下，随温度的上升，阻
值减小，呈现出NTC热敏电阻特性。
⑵ 响应特性
湿度从84%RH变化到53% RH时响应速度
要慢些，即脱湿过程慢。在室温下吸湿时间为 20 s，脱湿时间约为1min。
感湿机理 沈 阳 工 业 大 学
可得：
C2 R 2 2 C P C0 2 2 (R 1 R 2 ) 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
2 R1 R 2 2 C2 R1 R 2 1 1 2 2 2 R p R 0 (R 1 R 2 ) 2 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构
高分子薄膜
上部电极
下部电极
9.高分子湿度传感器
传感器特性
沈 阳 工 业 大 学
（1）电容—湿度特性
传感器的电容量变化很大, 线性度欠佳,可外接 转换电路, 电容—湿度特性趋于理想直线。
C/pF 350 （f=1.5MHZ） 300 250
（2）响应特性
高分子薄膜可以做得极薄，吸湿响应时间都 200 很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。
化学性能稳定），RuO2电极具有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面。
(5)安置加热器
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.4 ZrO2厚膜陶瓷湿敏元件 沈 阳 工 业 大 学
厚膜陶瓷感湿机理 ZrO2-Y2O3的固溶体简称YSZ
由于物理吸附的水，在湿敏感湿层的表面上进行解离而产生质子，实 际是质子导电。
工艺 元件的结构
⑵ 成型
在加工好的粉料中加入有机粘合剂，搅拌 均匀后，装入模具内，经压力机加压成型。
⑶ 烧成
从室温升到300℃左右，适当保温一段时间，把粘合剂从陶瓷胚体中排出，防
止高温烧结时粘合剂燃烧出现裂纹。然后升温，在1300 ℃下保温2-4h。
⑷ 电极制作
选用Ru（钌）O2，RuO2材料方块电阻小（热膨胀系数相当、附着力好，
6 半导体陶瓷湿敏元件
6.5 多孔Al2O3湿敏元件
沈 阳
类型
片状、棒状、针状
多孔Al2O3膜区 致密Al2O3膜区 下电极
元件结构
工 业 大 学
元件核心：
具有感湿特性的多孔Al2O3膜；
上电极（Au）
电极引线
工艺：
电极引线
采用阳极氧化法制备；
片状多孔Al2O3湿敏元件结构
6 半导体陶瓷湿敏元件
6 半导体陶瓷湿敏元件
B 质子导电理论
感湿机理
沈 阳 工 业 大 学
化学吸附产生电场促进物 理吸附水的分解，其电荷输运 是通过一个质子附载在水分子 上形成水合氢离子进行的，表 现为负感湿特性。
2H2 O H3O OHC 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
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
表面能级
表面受主态能级 成对出现 表面施主态能级 P型金属氧化物半导体 水分子在晶粒表面吸附，在价 带上方产生新的能级，相对湿度增 本征表面态
阳 工 业 大 学
大时，表面吸附的水增多，增加了
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
R/Ω
10M 1M 100K 10K 1K 30 脱湿 40 50 60 70 80 90 相对湿度/% 吸湿 Δ<±3%RH 梳状电极
基片
电阻—湿度特性
9.高分子湿度传感器
电阻式高分子膜湿度传感器
沈 （3）温度特性 阳 工 业 大 学
聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在 (0～55)℃时，温度系数为(–0.6％～–1.0％)RH/℃。