高分子湿度传感器研究进展
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参考文献 ] l [ 韩悦文J 种典型湿度传感器的原理和概要分 L 析田江汉大学学 0 0 乃 ) . 报,2 9 v l ( ] 2 ut [ Tr P M a d ~ t M 山 1 . s i a s凡 i d a 玩 5 ,a n r k t L e a H u皿d t se s n pr er e o su而c i y n ig P i o ts f e 加 iona ed pol eth ene a d Pol ropy ene net l z i y y l n P y l 肋刀 se s r n A t a or B , 200 , 8 : 1 5. n o s d c u t s 2 1 14 15 1 p} o h r Ys io a s以 M a a o u M a ug ch sn b s t u a N ~ ch Y o e a o H um d t s o o ba e n i n st. i iy e r sd 滋 a s t o P l 丑e t o h m C吐 A t i j l a s f o y c rc e i c a 200 ,4 : - 15 4 1 6 巧09 1 ] [ 李英干. 湿度测量网 北京: 气象出版社, 0 199 . ] 5 [ 康昌鹤.气 湿敏感器件及应用网 .北京: 科学 出 版社,19 8. 8 ] 6 [ 郭学全,刘志红,苏为国. 电阻型高分子湿度传 感器设计价佳木斯大学学报只 3刃 ( 0 ) 3 阴秦永和.湿度传感器测试系统回 ,哈尔滨工程 大学200 : . 2 伞5
条件下工作,例如气流速度 温度 湿度变化非
常剧烈或测量污染严重的工业气体时, 将使精 度大大 降低冈 在人类社 会逐步由 业化时代向 工 信息化时代迈进的时 ,能源 信息 候 和材料己 成 为 新技术革命的三大支柱 传感器是能 感受规 定的 被测量信号 理或化学量)并按照一定规 (物 律将其转换成可测信号(频率信号 等)的器件或 装置 其中 敏感元件是传感器的筷 合 ,选择并优 化敏感材料以 及新功能材 料的开发和应用一直 是 传感 器研究的热点 2 湿度传感器概况 湿度传感器是一类重要的化学传感器 ,已 在仓 丁淞 贮 牛产 过程控制 环境监测 家用电 器 气象等方面有着广泛的应用,如精 密电子元 件制 航天导弹 火箭的 造 储存 周围 环境的湿 度与人们的生活和工农业生产, 以及动植物的 生长与生存都密切相关 为了 创造舒适的生活 环境和理想的生产条件, 必须对环境湿度进行 检 控制或调整 然而 ,尚 测 且不能令人满意的 是,对于 有关湿度计量技术的 研究 ,还远不如对 温度的研究和让 量 那样精确和完善 一个理想 的湿 度传感器应具备的 性能和 参数 如下: 使用寿命长,长期稳定仁 t好 2) 灵敏度高,感湿特胜曲线线性度好 3) 量程宽,温度系数小 0 ) 应时间短 4向 5腥滞小 句 器件的一致性和互换性好 ,易于批量生 产,易于实 现与其它 传感器集成化 智能化 3湿 度传 感器分类 目 前,湿敏器件品种繁多,但就其所使用的 感湿材料而言, 大致可以分为三大类 : 电解质 型,半导体陶瓷型和有机高分子聚合物型 其中 有机高分子 聚合物型按其结构特点又可分为电 容型 电阻型 声表面波型( A 哪 ,石英振子型 S 等 电解质类湿度传感器不能长期应用于高湿 环境中, 因为感湿材料中的电解质盐可吸水而 被稀释甚至会流出,从而破坏其感湿睦能 电阻 型高分子湿度传感器是 目 前发展较为迅速,应 用较广的一类 但由于湿度传感器工作时必须 直接暴露于待测的环境中, 作条件恶劣而复 杂, 使湿敏器件长期遭受有害气体的侵蚀和温 度的影响, 从而普遍存在长期稳定胜和可靠性
一1 一 2
中国新技术新产品
简单 成本低等特点,在气象 纺织 集成电 路生
产 家用电器 食品加工等方面得到广泛的 应 用 按照其测量原理,一般可分为电 容型 电阻 型 声表面波型 光学型等,并以前 两类为主 l . 4 高分子电 容型湿度传 感器 高分子电 容型湿度传感器的 感湿机理 是基 于湿敏膜在环境中吸附水 子 其介电 分 时, 常数 发生改变,从而导致电 容发生变化, 由 此可以 测 定相对湿度 高分子电 容型湿敏器件的 典型 结 构为"三明 结构基 片 匕 治" 具有一层梳状金属电 极作为下电极,其上 涂布高 分子 感湿膜,在湿敏 膜上再 L一层透水 镀 性好的金 属膜作为上部电 极 , 有的 湿敏元件再盖 上一层多 孔网罩以 增加 抗污染育 ,延长 命 目 有高分子湿度传 肋 寿 前占 撼 导 市 但其也存在高湿区的明 滞 7既 场 显漂移 抗高湿能力差, 长期稳定 性不够理想等一系列 问 题 2 4 高分子电阻型湿度传感器 高 分子电阻型湿 度传感器是目 前发展比 较 迅速的 一类传感器 ,具有制作简单 价格低廉 稳定性好 易于 大规模生产等优点 它主要 基于 感湿膜的导电能力随相对湿度的变化而变化, 通过测定元件阻抗就可求出相又 显 书 度 其基本 结构是在基片上镀上一对梳状金或铂电极,再 涂上一层高分子感湿膜, 有的还在膜上涂敷透 水隆 好的保护 膜 5湿 度传感器结构材料 各种湿度传感器结构材料的湿敏元件主要 有陶 瓷类 高分子类 电解质类等 下面主要介 绍高分子 材料 l . 5 有机高分 子湿敏 材料 1 高子 电容型湿敏材料 好 早期电容型感湿材料多采用醋酸纤维素 C ( A B)及 其衍生物 ,此类高分子有的亲水基团较 弱,水分子吸附量也少,吸附的水分子在膜中可 近似单独存在,水分子不容易凝聚,由此得到的 传感器具有优良的性能 其基本骨架应是疏水 型高分子 同时,高分 孙奎 上还要有吸水性基团 以 七 俄 吸附水 分子 尽管其具 有响 决 湿滞小 应 等诸多优点,但其也存在高湿区的明显漂移 抗 高湿能力差, 长期稳定性不够理想等一系列问 题 为此,人犷 了解感湿扫 里 免 狱 班 足 进湿敏材料 , 优化器件结构等方面进行了深人研究
1 引言 人们的生活和工农业生产,以 及动植物的 生 存和生长, 都与周围环境的湿度有着密切的关 系 随 限的 着科 进步,在国民 经济的 多个部门 对 于湿 度的 测量和 控制日 显得重要和 益 迫切特 别 是随着生活水平 的提高座气质量越 来越受到重 视,其中的相又 度作为衡量居住适宜程度的关 眼 键指标也得到了重视,大量的湿度控制电器进人 人们的生活,湿 度传感器的应用领域不断扩大 . 幽 湿度是指气体中的 水分含 量 通常使用的湿度 表示方法有混合比 露点和相对湿度网 ,在恶劣
值的 变化,就可以 测定环境中相 对湿度的 大小
通常, 高分 子聚电 解质在高温高湿环境下 长期 使用时,呈现类似溶解水状态,严重时 感湿膜有 流移现象,严重影响了 其稳定性 因此, 目 前高 ;斤 电 阻型 湿敏材料的研究重点就是如何改善 其耐水性和长期稳定性 6高 分子湿度传感器研究发展方向 由 目 于 前的湿 度传感器 普 遍存在稳定性和 可靠性不够理想,耐湿 性差,抗扰能力不强的缺 点, 多年来一直制约和阻碍了其实际应用和 进 一步发展 提高传感器的 相关参数性 能以 及实 现传感器的小型化 集成化 智能化等 ,成了湿 度传感器 进一步发展的 关键 解决这些问 题的 主要 措施有: l . 6 利用共聚 有机无机复合等技术制备新 型耐水性湿敏材料, 以获得响应快,高湿稳定性 好 ,测湿范围宽,长 期稳定,漂移小,耐水性好的 湿度传感器 2 6 利用 保护膜或特殊的 钝化处理方法 ,提 高传感器高湿稳定 性 . 6 3 将湿敏元件和其它传感器集成在一个 芯片上,并与微处理器联合使用,实现传感器的 小型化 集成化和智育 靴
不够理想 ,耐湿性差,抗干扰能力不强的缺点, 多年来一直制约和阻碍了其 实际应用和进一步 发展 4 高分子湿度传感器 有机高分子 型湿度传感器是目 前研究最多 的一类湿度 传感器 它是根据环境湿度的变化, 高分子材料的感湿特征量发生变化, 从而来检 测湿度 特征量的变化可以是材料的介电常数 导电性能等的变化, 也可以是材料长度或者体 积的变化 与陶 瓷湿度传感器 相比,它具 有量程 宽 响应快 湿滞小 与集成电路工艺兼容 制作
2 高分子 电阻型湿敏材料 离子导电型湿度传感器的感湿材 料主要是 高分 子固体聚电 解质材料, 这类湿敏 材料通常 是含有强极性官能团的高分 子 解质, 水分 电 子 主要被吸附在极性基团上 在低湿环 境下吸附 的水分 子量少,传感器电阻高 然而,当随着相 对湿度的增加,吸附水分子量相应增加,增强了 离子运动的自由度 , 同时降低高分子聚电解质 反离子的活 化能,提高其 迁移率另 外,吸附水分 子离解出来的质子也起电荷载流子作用, 都使 得导电能力增加,阴抗相对减小 通速 则 定其阻
2 0 10 C hin a
NO24 N ew T eh nolo邵es an d P e o r du ets
高新 技 术
高分子湿度传感器研究进展
杨子江 黄建国Biblioteka Baidu2
黑龙江农业工程职业学院
2 驻哈空军930 5 部队, 黑龙江 哈 尔滨 巧0 80 1 0 )
摘 要:湿度是一个重要的物理量, 航空航天 计量等许 多环境中需要在 高温下进行湿度的测量 目前用于低 温下测量的湿敏传感器 主要有三类:电解质湿度传感器 半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器l 高分子湿度传感器现 已在气象 纺织 食 ] l 品加工及蔬菜保鲜等方面广泛应用l 习 本文重点分析 了高分子湿度传感器的发展趋势 l I z 关键词:湿度;高分子聚合物;湿度传感器
条件下工作,例如气流速度 温度 湿度变化非
常剧烈或测量污染严重的工业气体时, 将使精 度大大 降低冈 在人类社 会逐步由 业化时代向 工 信息化时代迈进的时 ,能源 信息 候 和材料己 成 为 新技术革命的三大支柱 传感器是能 感受规 定的 被测量信号 理或化学量)并按照一定规 (物 律将其转换成可测信号(频率信号 等)的器件或 装置 其中 敏感元件是传感器的筷 合 ,选择并优 化敏感材料以 及新功能材 料的开发和应用一直 是 传感 器研究的热点 2 湿度传感器概况 湿度传感器是一类重要的化学传感器 ,已 在仓 丁淞 贮 牛产 过程控制 环境监测 家用电 器 气象等方面有着广泛的应用,如精 密电子元 件制 航天导弹 火箭的 造 储存 周围 环境的湿 度与人们的生活和工农业生产, 以及动植物的 生长与生存都密切相关 为了 创造舒适的生活 环境和理想的生产条件, 必须对环境湿度进行 检 控制或调整 然而 ,尚 测 且不能令人满意的 是,对于 有关湿度计量技术的 研究 ,还远不如对 温度的研究和让 量 那样精确和完善 一个理想 的湿 度传感器应具备的 性能和 参数 如下: 使用寿命长,长期稳定仁 t好 2) 灵敏度高,感湿特胜曲线线性度好 3) 量程宽,温度系数小 0 ) 应时间短 4向 5腥滞小 句 器件的一致性和互换性好 ,易于批量生 产,易于实 现与其它 传感器集成化 智能化 3湿 度传 感器分类 目 前,湿敏器件品种繁多,但就其所使用的 感湿材料而言, 大致可以分为三大类 : 电解质 型,半导体陶瓷型和有机高分子聚合物型 其中 有机高分子 聚合物型按其结构特点又可分为电 容型 电阻型 声表面波型( A 哪 ,石英振子型 S 等 电解质类湿度传感器不能长期应用于高湿 环境中, 因为感湿材料中的电解质盐可吸水而 被稀释甚至会流出,从而破坏其感湿睦能 电阻 型高分子湿度传感器是 目 前发展较为迅速,应 用较广的一类 但由于湿度传感器工作时必须 直接暴露于待测的环境中, 作条件恶劣而复 杂, 使湿敏器件长期遭受有害气体的侵蚀和温 度的影响, 从而普遍存在长期稳定胜和可靠性
一1 一 2
中国新技术新产品
简单 成本低等特点,在气象 纺织 集成电 路生
产 家用电器 食品加工等方面得到广泛的 应 用 按照其测量原理,一般可分为电 容型 电阻 型 声表面波型 光学型等,并以前 两类为主 l . 4 高分子电 容型湿度传 感器 高分子电 容型湿度传感器的 感湿机理 是基 于湿敏膜在环境中吸附水 子 其介电 分 时, 常数 发生改变,从而导致电 容发生变化, 由 此可以 测 定相对湿度 高分子电 容型湿敏器件的 典型 结 构为"三明 结构基 片 匕 治" 具有一层梳状金属电 极作为下电极,其上 涂布高 分子 感湿膜,在湿敏 膜上再 L一层透水 镀 性好的金 属膜作为上部电 极 , 有的 湿敏元件再盖 上一层多 孔网罩以 增加 抗污染育 ,延长 命 目 有高分子湿度传 肋 寿 前占 撼 导 市 但其也存在高湿区的明 滞 7既 场 显漂移 抗高湿能力差, 长期稳定 性不够理想等一系列 问 题 2 4 高分子电阻型湿度传感器 高 分子电阻型湿 度传感器是目 前发展比 较 迅速的 一类传感器 ,具有制作简单 价格低廉 稳定性好 易于 大规模生产等优点 它主要 基于 感湿膜的导电能力随相对湿度的变化而变化, 通过测定元件阻抗就可求出相又 显 书 度 其基本 结构是在基片上镀上一对梳状金或铂电极,再 涂上一层高分子感湿膜, 有的还在膜上涂敷透 水隆 好的保护 膜 5湿 度传感器结构材料 各种湿度传感器结构材料的湿敏元件主要 有陶 瓷类 高分子类 电解质类等 下面主要介 绍高分子 材料 l . 5 有机高分 子湿敏 材料 1 高子 电容型湿敏材料 好 早期电容型感湿材料多采用醋酸纤维素 C ( A B)及 其衍生物 ,此类高分子有的亲水基团较 弱,水分子吸附量也少,吸附的水分子在膜中可 近似单独存在,水分子不容易凝聚,由此得到的 传感器具有优良的性能 其基本骨架应是疏水 型高分子 同时,高分 孙奎 上还要有吸水性基团 以 七 俄 吸附水 分子 尽管其具 有响 决 湿滞小 应 等诸多优点,但其也存在高湿区的明显漂移 抗 高湿能力差, 长期稳定性不够理想等一系列问 题 为此,人犷 了解感湿扫 里 免 狱 班 足 进湿敏材料 , 优化器件结构等方面进行了深人研究
1 引言 人们的生活和工农业生产,以 及动植物的 生 存和生长, 都与周围环境的湿度有着密切的关 系 随 限的 着科 进步,在国民 经济的 多个部门 对 于湿 度的 测量和 控制日 显得重要和 益 迫切特 别 是随着生活水平 的提高座气质量越 来越受到重 视,其中的相又 度作为衡量居住适宜程度的关 眼 键指标也得到了重视,大量的湿度控制电器进人 人们的生活,湿 度传感器的应用领域不断扩大 . 幽 湿度是指气体中的 水分含 量 通常使用的湿度 表示方法有混合比 露点和相对湿度网 ,在恶劣
值的 变化,就可以 测定环境中相 对湿度的 大小
通常, 高分 子聚电 解质在高温高湿环境下 长期 使用时,呈现类似溶解水状态,严重时 感湿膜有 流移现象,严重影响了 其稳定性 因此, 目 前高 ;斤 电 阻型 湿敏材料的研究重点就是如何改善 其耐水性和长期稳定性 6高 分子湿度传感器研究发展方向 由 目 于 前的湿 度传感器 普 遍存在稳定性和 可靠性不够理想,耐湿 性差,抗扰能力不强的缺 点, 多年来一直制约和阻碍了其实际应用和 进 一步发展 提高传感器的 相关参数性 能以 及实 现传感器的小型化 集成化 智能化等 ,成了湿 度传感器 进一步发展的 关键 解决这些问 题的 主要 措施有: l . 6 利用共聚 有机无机复合等技术制备新 型耐水性湿敏材料, 以获得响应快,高湿稳定性 好 ,测湿范围宽,长 期稳定,漂移小,耐水性好的 湿度传感器 2 6 利用 保护膜或特殊的 钝化处理方法 ,提 高传感器高湿稳定 性 . 6 3 将湿敏元件和其它传感器集成在一个 芯片上,并与微处理器联合使用,实现传感器的 小型化 集成化和智育 靴
不够理想 ,耐湿性差,抗干扰能力不强的缺点, 多年来一直制约和阻碍了其 实际应用和进一步 发展 4 高分子湿度传感器 有机高分子 型湿度传感器是目 前研究最多 的一类湿度 传感器 它是根据环境湿度的变化, 高分子材料的感湿特征量发生变化, 从而来检 测湿度 特征量的变化可以是材料的介电常数 导电性能等的变化, 也可以是材料长度或者体 积的变化 与陶 瓷湿度传感器 相比,它具 有量程 宽 响应快 湿滞小 与集成电路工艺兼容 制作
2 高分子 电阻型湿敏材料 离子导电型湿度传感器的感湿材 料主要是 高分 子固体聚电 解质材料, 这类湿敏 材料通常 是含有强极性官能团的高分 子 解质, 水分 电 子 主要被吸附在极性基团上 在低湿环 境下吸附 的水分 子量少,传感器电阻高 然而,当随着相 对湿度的增加,吸附水分子量相应增加,增强了 离子运动的自由度 , 同时降低高分子聚电解质 反离子的活 化能,提高其 迁移率另 外,吸附水分 子离解出来的质子也起电荷载流子作用, 都使 得导电能力增加,阴抗相对减小 通速 则 定其阻
2 0 10 C hin a
NO24 N ew T eh nolo邵es an d P e o r du ets
高新 技 术
高分子湿度传感器研究进展
杨子江 黄建国Biblioteka Baidu2
黑龙江农业工程职业学院
2 驻哈空军930 5 部队, 黑龙江 哈 尔滨 巧0 80 1 0 )
摘 要:湿度是一个重要的物理量, 航空航天 计量等许 多环境中需要在 高温下进行湿度的测量 目前用于低 温下测量的湿敏传感器 主要有三类:电解质湿度传感器 半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器l 高分子湿度传感器现 已在气象 纺织 食 ] l 品加工及蔬菜保鲜等方面广泛应用l 习 本文重点分析 了高分子湿度传感器的发展趋势 l I z 关键词:湿度;高分子聚合物;湿度传感器