第8章 2 3 半导体湿度传感器
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(a)电阻-湿度特性
图8.37 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
从电阻-温度特性中可看出,从20°C到80°C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/°C。如果 要精确测量湿度,对这种湿度传感器需要进行温度补偿。从响应时间 特性可知,响应时间小于10s。
8.2.2 湿度个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围 称为湿度量程。湿度范围用相对湿度（0-100）%RH表示,量程是 湿度传感器工作性能的一项重要指标。
2. 感湿特征量-相对湿度特性曲线
每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、电压、 频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的感湿特征量随环 境相对湿度变化的关系曲线,称为相对湿度特性曲线,简称感湿特 性曲线。通常希望特性曲线应当在全量程上是连续的且呈线性关 系。有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为 正特性湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称为 负特性湿敏传感器。
4 1 3 2 感湿体引线 接线柱
图8.36
烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构
MgCrO4-TiO2 系 陶 瓷 湿度传感 器的电阻 - 湿度 特性 、 电 阻-温度特 性及 响应时间特性如图8.37所 示 。从电 阻 -湿度特 性看 出,随着相对湿度的增加, 电阻值急 剧下降 , 基 本按 指数规律 下降 , 当相 对湿 度由0变到100%RH时,阻值 从107Ω下降到104Ω,即变 化了三个数量级。
8.2.3湿度传感器器件
目前常用的湿度传感器种类有:机械式湿度传感 器,如利用脱脂处理后的毛发（现多改成竹膜、乌鱼皮 膜、尼龙带等材料）,在空气相对湿度增大时毛发伸长, 带动指针转动构成的毛发式湿度计等;由两个完全相同 的玻璃温度计,其中一个感温包直接与空气接触,指示 干球温度,另一感温包外有纱布且纱布下端浸在水中经 常保持湿润,指示的是湿球温度,由干球温度和湿球温 度之差即可换算出相对湿度的干湿球湿度计。 这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不 够高,而且是非电信号的湿度测量,难以同电子电路和 自动控制系统及仪器相联结。
5.响应时间 在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感湿 特征量之值达到稳态变化量的规定比例所需要的时间称为响应时 间,也称为时间常数。它反映了湿度传感器对于相对湿度发生变 化时,其反应速度的快慢。一般是以相应于起始和终止这一相对 湿度变化区间63%的相对湿度变化所需要的时间,叫响应时间,单 位是s,也有规定从始到终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。 6.湿滞回线 湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线 不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。由于吸湿和脱湿特性曲线不 重合,对应同一感湿特征量之值,相对湿度之差称为湿滞量。湿滞 量越小越好,以免给湿度测量带来难度和误差。
1.元素半导体湿敏器件
在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿性的 元素半导体薄膜,可形成湿敏电阻器。湿敏传感器就是利用上述 湿敏电阻器的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化的现象制成 的。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件。 锗的蒸发膜厚度约为10，适用于高湿度的测量。锗的湿敏器 件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比较精确的测量 结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化需要较长时间,并且 器件的重复性差。 利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。就 湿度特性来说,无定型硒蒸发膜湿敏器件比金属硒蒸发膜湿敏器 件要好些,但就稳定性来说,却不如金属硒蒸发膜湿敏器件好。一 般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸发膜的湿敏器件电 阻值低,被测湿度范围较大,但它也有和锗膜湿敏器件同样的需要 较长老化时间的缺点。
这类器件的特点是物理特 性和化学特性比较稳定,结构、 工艺简单,测湿量程宽,重复性 和一致性较好,寿命长,成本低 等。 Fe3O4 和Al2O3 湿度敏感器件 材料就属于涂覆膜型湿度敏感 器件材料。除此之外,作为涂覆 膜型湿度敏感器件材料的还有 Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。
108
要研制和生产出高性能的湿度传感器,关键在于材 料和工艺。根据所使用的材料的不同,湿度传感器分为 电介质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等。这里只介 绍半导体湿度传感器。从性能的总体来看,无论哪一种 材料制成的传感器,都有它各自的特点,既有长处,也有 短处,它们分别能满足某些方面的要求。近几年来出现 的半导体陶瓷感湿元件、MOS型感湿元件和结型湿敏器 件已达到较好水平,具有工作范围宽,响应速度快,耐环 境能力强等特点,是当前湿度传感器的发展方向。
9.其它特性与参数 精度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度 的相对误差。 工作温度范围表示湿度传感器能连续工作 的环境温度范围,它应由极限温度来决定,即由 在额定功率条件下,能够连续工作的最高环境 温度和最低环境温度所决定。 稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中, 能保持原有性能的能力。一般用相对湿度的年 变化率表示,即±%RH/年。 寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度, 能够连续工作的最长时间。
②相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱 和状态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:
P H V 100% PS
（8.21）
为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前, 普遍用相对湿度（缩写为RH）来表示湿度。
③保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到饱和 而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为℃。
MgCr2O4-TiO2系多功能 半导体陶瓷材料的导电性 一般是空穴导电,在300～ 550°C温度范围内对各种 气体都较敏感。比如,在以 氧气为首的氧化性气氛中 这种陶瓷材料的电阻减少, 而随着硫化氢、酒精、氢 等还原性气体浓度的增加 其电阻率增加。MgCr2O4TiO2系陶瓷高温气敏特性 如图8.41所示。
图8.37 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
(a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性
3．多功能半导体陶瓷湿度传感器
随着微机的普及,产业和家庭电器方面的自动控制技术发展 迅速,这就要求研究和生产更方便的各种传感器,其中对能够同时 检测湿度、温度和气体的多功能传感器的呼声尤其高,比如,冷暖 空调机的温度和湿度的控制,干燥机的温度控制和水分的检测,电 子灶的温度、湿度和各种气体的检测方面越来越多地要求使用这 种多功能传感器。目前，多功能传感器大部分是应用多个单一功 能敏感器件的组合来检测所要求的每个物理量的，目前正积极进 行一个器件具有多功能的敏感元件的研究，其中之一就是同时能 够检测湿度和气体的MgCr2O4-TiO2 系多功能敏感器件和同时能够 检测温度和湿度的BaTiO3-SrTiO3系多功能敏感器件
左图为硒蒸发膜湿度 传感器的结构,在绝缘瓷 管表面上镀一层铂膜,然 后以细螺距将铂膜刻成宽 约0.1cm的螺旋状,以此作 为两个电极。在两个电极 之 间 蒸 发 上 硒 ,A 为 铂 电 极 ,B 为 硒 蒸 发 膜 层 。 图 8.34为硒蒸发膜湿度传感 器的电阻-湿度特性。由 于这种传感器不使用吸湿 性盐和固定剂,所以能够 在高温下长期连续使用。
7.电压特性
用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引 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,故测试电压应采用交流电压。湿度传感器感湿特 征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特性。 当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的 特性会带来较大影响。 8.频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。在 各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试 频率而变化,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上 限。当然,为防止水分子的电解,测试电压频率也不能 太低。
A
B
图8.33 硒蒸发膜湿度传感器的结构
100 20℃ 10
电阻 / ×10 6
1 0.1 0.01 20
40
60
80
100
相对湿度 / ％
图8.34 硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系
2. 金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件
在湿敏器件的发展过程中,由于金属氧化物半导体 陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗沾污的特点,而逐 渐被人们所重视。因此,相继出现了各种半导体陶瓷湿 敏器件。半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境 下使用几万小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。半 导体陶瓷湿敏器件,在对湿度的测量方面,可以检测 1%RH这样的低湿状态,而且还具有响应快、精度高、使 用温度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗等各种优 点。所以,半导体陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件 的生产和应用中占有很重要的地位。
1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件
涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较典型 且 性 能 较 好 的 是 Fe3O4 湿 度 敏感 器 件 。 一 般 来 说 , 像 Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的 材料。同时, Fe3O4 比其它金属氧化物材料具有比较低 的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4 做 湿敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。 把氯化铁和氯化亚铁按2∶1的比例加水混合成溶 液,然后加进NaOH,这时就沉淀出黑色Fe3O4。用纯水洗 去杂质,可做成质量很好的Fe3O4胶体。
R/
107 106 105 104 103 0 0.2 0.4 0.6 RH 0.8 1
图8.35 Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系
2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件
加热丝 感湿体 RuO 2 电极 隔漏环 底板
目前,从各国湿度传感器的产
量中可以看出,约有50%以上是烧 结型的,而厚膜和薄膜各占15%到 20%。以不同的金属氧化物为原料, 通过典型的陶瓷工艺制成了品种 繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其 性能也各有优劣。
金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同 可分为两大类:一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘 结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微 粒堆积体称为陶瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器 件,一般称为涂覆膜型湿度敏感器件。另一类陶瓷材料 是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成具有典 型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶瓷材料。它们 共同的特点是多孔状的多晶烧结体。因此,有时也将它 们称为烧结型陶瓷材料。
8.2
8.2.1 湿度的定义
半导体湿度传感器
大气中含有水分的多少直接影响大气的干、湿程度。 在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使 用绝对湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。 ①绝对湿度:在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体 中所含水蒸气的质量为
mV P V V
mV为待测混合气体中所含水蒸气的质量; V为待测混合气体的总体积; PV为待测混合气体的绝对湿度,其单位为g/m3,以AH表示。
3.感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿度 传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度,简 称灵敏度,又称湿度系数。感湿灵敏度表征湿度传感器对 湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性曲线是线性 的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的;如果湿度传 感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大小就与其工作 的相对湿度范围有关。 4.温度系数 温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相对湿度 特性曲线随环境温度而变化的特征。感湿特征量随环境温 度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就 越小。温度系数分为特征量温度系数和感湿温度系数。
图8.41 MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性
金 属氧化物半导体陶瓷 材料BaTiO3-SrTiO3 的介电常 数与温度的依赖性是极其明 显的,因此也就成为热敏器件 的理想材料,通过掺入少量的 MgCr2O4 以及利用陶瓷体本身 所具有的多孔结构,就可制得 多功能的湿度-温度传感器。 图8.42 湿度-温度传感器的等效电路 这就是巧妙利用了半导体陶 瓷材料的体单晶性质和表面 性质而做的复合功能传感器。 其等效电路如图8.42所示。
图8.37 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
从电阻-温度特性中可看出,从20°C到80°C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/°C。如果 要精确测量湿度,对这种湿度传感器需要进行温度补偿。从响应时间 特性可知,响应时间小于10s。
8.2.2 湿度个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围 称为湿度量程。湿度范围用相对湿度（0-100）%RH表示,量程是 湿度传感器工作性能的一项重要指标。
2. 感湿特征量-相对湿度特性曲线
每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、电压、 频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的感湿特征量随环 境相对湿度变化的关系曲线,称为相对湿度特性曲线,简称感湿特 性曲线。通常希望特性曲线应当在全量程上是连续的且呈线性关 系。有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为 正特性湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称为 负特性湿敏传感器。
4 1 3 2 感湿体引线 接线柱
图8.36
烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构
MgCrO4-TiO2 系 陶 瓷 湿度传感 器的电阻 - 湿度 特性 、 电 阻-温度特 性及 响应时间特性如图8.37所 示 。从电 阻 -湿度特 性看 出,随着相对湿度的增加, 电阻值急 剧下降 , 基 本按 指数规律 下降 , 当相 对湿 度由0变到100%RH时,阻值 从107Ω下降到104Ω,即变 化了三个数量级。
8.2.3湿度传感器器件
目前常用的湿度传感器种类有:机械式湿度传感 器,如利用脱脂处理后的毛发（现多改成竹膜、乌鱼皮 膜、尼龙带等材料）,在空气相对湿度增大时毛发伸长, 带动指针转动构成的毛发式湿度计等;由两个完全相同 的玻璃温度计,其中一个感温包直接与空气接触,指示 干球温度,另一感温包外有纱布且纱布下端浸在水中经 常保持湿润,指示的是湿球温度,由干球温度和湿球温 度之差即可换算出相对湿度的干湿球湿度计。 这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不 够高,而且是非电信号的湿度测量,难以同电子电路和 自动控制系统及仪器相联结。
5.响应时间 在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感湿 特征量之值达到稳态变化量的规定比例所需要的时间称为响应时 间,也称为时间常数。它反映了湿度传感器对于相对湿度发生变 化时,其反应速度的快慢。一般是以相应于起始和终止这一相对 湿度变化区间63%的相对湿度变化所需要的时间,叫响应时间,单 位是s,也有规定从始到终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。 6.湿滞回线 湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线 不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。由于吸湿和脱湿特性曲线不 重合,对应同一感湿特征量之值,相对湿度之差称为湿滞量。湿滞 量越小越好,以免给湿度测量带来难度和误差。
1.元素半导体湿敏器件
在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿性的 元素半导体薄膜,可形成湿敏电阻器。湿敏传感器就是利用上述 湿敏电阻器的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化的现象制成 的。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件。 锗的蒸发膜厚度约为10，适用于高湿度的测量。锗的湿敏器 件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比较精确的测量 结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化需要较长时间,并且 器件的重复性差。 利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。就 湿度特性来说,无定型硒蒸发膜湿敏器件比金属硒蒸发膜湿敏器 件要好些,但就稳定性来说,却不如金属硒蒸发膜湿敏器件好。一 般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸发膜的湿敏器件电 阻值低,被测湿度范围较大,但它也有和锗膜湿敏器件同样的需要 较长老化时间的缺点。
这类器件的特点是物理特 性和化学特性比较稳定,结构、 工艺简单,测湿量程宽,重复性 和一致性较好,寿命长,成本低 等。 Fe3O4 和Al2O3 湿度敏感器件 材料就属于涂覆膜型湿度敏感 器件材料。除此之外,作为涂覆 膜型湿度敏感器件材料的还有 Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。
108
要研制和生产出高性能的湿度传感器,关键在于材 料和工艺。根据所使用的材料的不同,湿度传感器分为 电介质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等。这里只介 绍半导体湿度传感器。从性能的总体来看,无论哪一种 材料制成的传感器,都有它各自的特点,既有长处,也有 短处,它们分别能满足某些方面的要求。近几年来出现 的半导体陶瓷感湿元件、MOS型感湿元件和结型湿敏器 件已达到较好水平,具有工作范围宽,响应速度快,耐环 境能力强等特点,是当前湿度传感器的发展方向。
9.其它特性与参数 精度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度 的相对误差。 工作温度范围表示湿度传感器能连续工作 的环境温度范围,它应由极限温度来决定,即由 在额定功率条件下,能够连续工作的最高环境 温度和最低环境温度所决定。 稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中, 能保持原有性能的能力。一般用相对湿度的年 变化率表示,即±%RH/年。 寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度, 能够连续工作的最长时间。
②相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱 和状态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:
P H V 100% PS
（8.21）
为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前, 普遍用相对湿度（缩写为RH）来表示湿度。
③保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到饱和 而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为℃。
MgCr2O4-TiO2系多功能 半导体陶瓷材料的导电性 一般是空穴导电,在300～ 550°C温度范围内对各种 气体都较敏感。比如,在以 氧气为首的氧化性气氛中 这种陶瓷材料的电阻减少, 而随着硫化氢、酒精、氢 等还原性气体浓度的增加 其电阻率增加。MgCr2O4TiO2系陶瓷高温气敏特性 如图8.41所示。
图8.37 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
(a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性
3．多功能半导体陶瓷湿度传感器
随着微机的普及,产业和家庭电器方面的自动控制技术发展 迅速,这就要求研究和生产更方便的各种传感器,其中对能够同时 检测湿度、温度和气体的多功能传感器的呼声尤其高,比如,冷暖 空调机的温度和湿度的控制,干燥机的温度控制和水分的检测,电 子灶的温度、湿度和各种气体的检测方面越来越多地要求使用这 种多功能传感器。目前，多功能传感器大部分是应用多个单一功 能敏感器件的组合来检测所要求的每个物理量的，目前正积极进 行一个器件具有多功能的敏感元件的研究，其中之一就是同时能 够检测湿度和气体的MgCr2O4-TiO2 系多功能敏感器件和同时能够 检测温度和湿度的BaTiO3-SrTiO3系多功能敏感器件
左图为硒蒸发膜湿度 传感器的结构,在绝缘瓷 管表面上镀一层铂膜,然 后以细螺距将铂膜刻成宽 约0.1cm的螺旋状,以此作 为两个电极。在两个电极 之 间 蒸 发 上 硒 ,A 为 铂 电 极 ,B 为 硒 蒸 发 膜 层 。 图 8.34为硒蒸发膜湿度传感 器的电阻-湿度特性。由 于这种传感器不使用吸湿 性盐和固定剂,所以能够 在高温下长期连续使用。
7.电压特性
用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引 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,故测试电压应采用交流电压。湿度传感器感湿特 征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特性。 当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的 特性会带来较大影响。 8.频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。在 各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试 频率而变化,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上 限。当然,为防止水分子的电解,测试电压频率也不能 太低。
A
B
图8.33 硒蒸发膜湿度传感器的结构
100 20℃ 10
电阻 / ×10 6
1 0.1 0.01 20
40
60
80
100
相对湿度 / ％
图8.34 硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系
2. 金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件
在湿敏器件的发展过程中,由于金属氧化物半导体 陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗沾污的特点,而逐 渐被人们所重视。因此,相继出现了各种半导体陶瓷湿 敏器件。半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境 下使用几万小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。半 导体陶瓷湿敏器件,在对湿度的测量方面,可以检测 1%RH这样的低湿状态,而且还具有响应快、精度高、使 用温度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗等各种优 点。所以,半导体陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件 的生产和应用中占有很重要的地位。
1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件
涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较典型 且 性 能 较 好 的 是 Fe3O4 湿 度 敏感 器 件 。 一 般 来 说 , 像 Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的 材料。同时, Fe3O4 比其它金属氧化物材料具有比较低 的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4 做 湿敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。 把氯化铁和氯化亚铁按2∶1的比例加水混合成溶 液,然后加进NaOH,这时就沉淀出黑色Fe3O4。用纯水洗 去杂质,可做成质量很好的Fe3O4胶体。
R/
107 106 105 104 103 0 0.2 0.4 0.6 RH 0.8 1
图8.35 Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系
2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件
加热丝 感湿体 RuO 2 电极 隔漏环 底板
目前,从各国湿度传感器的产
量中可以看出,约有50%以上是烧 结型的,而厚膜和薄膜各占15%到 20%。以不同的金属氧化物为原料, 通过典型的陶瓷工艺制成了品种 繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其 性能也各有优劣。
金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同 可分为两大类:一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘 结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微 粒堆积体称为陶瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器 件,一般称为涂覆膜型湿度敏感器件。另一类陶瓷材料 是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成具有典 型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶瓷材料。它们 共同的特点是多孔状的多晶烧结体。因此,有时也将它 们称为烧结型陶瓷材料。
8.2
8.2.1 湿度的定义
半导体湿度传感器
大气中含有水分的多少直接影响大气的干、湿程度。 在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使 用绝对湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。 ①绝对湿度:在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体 中所含水蒸气的质量为
mV P V V
mV为待测混合气体中所含水蒸气的质量; V为待测混合气体的总体积; PV为待测混合气体的绝对湿度,其单位为g/m3,以AH表示。
3.感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿度 传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度,简 称灵敏度,又称湿度系数。感湿灵敏度表征湿度传感器对 湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性曲线是线性 的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的;如果湿度传 感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大小就与其工作 的相对湿度范围有关。 4.温度系数 温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相对湿度 特性曲线随环境温度而变化的特征。感湿特征量随环境温 度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就 越小。温度系数分为特征量温度系数和感湿温度系数。
图8.41 MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性
金 属氧化物半导体陶瓷 材料BaTiO3-SrTiO3 的介电常 数与温度的依赖性是极其明 显的,因此也就成为热敏器件 的理想材料,通过掺入少量的 MgCr2O4 以及利用陶瓷体本身 所具有的多孔结构,就可制得 多功能的湿度-温度传感器。 图8.42 湿度-温度传感器的等效电路 这就是巧妙利用了半导体陶 瓷材料的体单晶性质和表面 性质而做的复合功能传感器。 其等效电路如图8.42所示。