第13章湿度传感器课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,传感器原理与应用,第13章,湿度传感器,传感器原理与应用第13章 湿度传感器,1,第13章,湿度传感器,霍尼韦尔生产HIH3600系列湿度传感器,第13章 湿度传感器霍尼韦尔生产HIH3600系列湿度传感,2,第13章,湿度传感器,日本神荣相对湿度传感器,第13章 湿度传感器日本神荣相对湿度传感器,3,第13章,湿度传感器,湿敏电容 湿敏电阻,第13章 湿度传感器湿敏电容,4,第13章,湿度传感器,湿敏模块 湿敏传感器,第13章 湿度传感器 湿敏模块,5,第13章,湿度传感器,芬兰生产的露点仪,第13章 湿度传感器芬兰生产的露点仪,6,第13章,湿度传感器,超高精度湿度传感器,第13章 湿度传感器超高精度湿度传感器,7,第13章,湿度传感器,土壤水分湿度传感器,第13章 湿度传感器土壤水分湿度传感器,8,第13章,湿度传感器,第13章 湿度传感器,9,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,10,13,.,1,概,述,人们对湿度测量与控制之重要性的认识，与温度相比要晚得多。17世纪才制成了毛发湿度计，18世纪制成了干湿球湿度计。,13.1 概 述 人们对湿度测量与控制之重,11,13,.,1,概,述,它们的主要缺点是灵敏度和分辨率都不够高，而且输出是非电信号，难以同电子电路或自动控制系统及仪器相连接。直到1938年才研制出输出电信号的LiCl电解质湿度传感器。,13.1 概 述 它们的主要缺点是灵敏度和,12,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,13,.,1,概,述,13.1.1 湿度的表示方法13.1 概 述,13,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,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,表示,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，其定义为：,13.1.1 湿度的表示方法 大气中含有水分的多,14,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,式中，,m,v,为待测混合气体中的水蒸气质量；,V,为待测混合气体的总体积；,r,v,为待测混合气体的绝对湿度，其单位为g,/,m,3,。以AH表示绝对湿度。,13.1.1 湿度的表示方法 式中，mv为待测混合气体中,15,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,2,.,相对湿度,相对湿度为待测空气的水蒸气分压,p,与相同温度下饱和水蒸气压,p,W,的比值，用百分数表示。这是一个无量纲量，常表示为%RH,(,RH为相对湿度的缩写,),，亦即：,13.1.1 湿度的表示方法 2.相对湿度,16,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,绝对湿度,相对湿度,温度的关系如图所示。,13.1.1 湿度的表示方法 绝对湿度相对湿度温度的关,17,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,3,.,露点湿度,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时的温度称为露点,(,),。,只要能测出露点，就可以通过一些数据表查得绝对湿度。温度,相对湿度,露点的对应关系如图所示。用这种方法测得的相对湿度称为露点湿度。,13.1.1 湿度的表示方法 3.露点湿度 只要能,18,13,.,1,概,述,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,13.1 概 述13.1.1 湿度的表示方法,19,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,饱和盐水溶液法又称,湿度固定点法,，属于静态标定法。虽然相对准确度较低，并且只能提供固定的湿度点，却具有简易和价廉的优点。,方法：将饱和盐水溶液置于封闭的容器中，根据,拉乌尔定律,和,亨利定律,，在定温和平衡的条件下，溶液的组分固定，则,水蒸气,分压为常量，可使饱和盐水溶液上方的空间保持恒定的相对湿度。改变溶液的组分可获得不同的平衡,水蒸气,分压，即可得到不同的相对湿度。,13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法 饱,20,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,在选择饱和盐水溶液时，应使其对应的相对湿度有合适的间隔。在配制饱和盐水溶液时一定要用纯净水,(如蒸馏水或去离子水),以及较纯净的盐，并保持水溶液与其上方的气温一致。各种饱和盐水溶液对应的相对湿度值一般采用美国国家标准局1976年提供的数据。,13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法 在,21,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,下,表是几种饱和盐水溶液平衡时的相对湿度值。,13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法下表是几种饱和,22,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,如图所示是饱和盐水溶液湿度发生装置。,13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法如图所示是饱和,23,13,.,1,概,述,13,.,1,.,1,湿度的表示方法,13,.,1,.,2,标定湿度传感器的饱和盐水溶液法,13.1 概 述13.1.1 湿度的表示方法,24,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,25,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,13.2 湿度传感器的分类与特性参数13.2.1 湿度传,26,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,湿度传感器可分为,水分子亲合力型,和,非水分子亲合力型,两类。水分子有较大的偶极矩故易于吸附在固体表面并渗透到固体内部。水分子的这种吸附和渗透特性称为水分子的亲合力。利用水分子这一特性制作的湿度传感器称为水分子亲合力型传感器。反之，与水分子亲合力无关的称为非水分子亲合力型传感器。,13.2.1 湿度传感器的分类 湿度传感器可分为,27,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,湿度传感器分类如图所示。,13.2.1 湿度传感器的分类湿度传感器分类如图所示。,28,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,若按照材料分类，又可分为,陶瓷湿度传感器,、,有机高分子湿度传感器,、,半导体湿度传感器,、,电解质湿度传感器,等，如表,13,.,2,所示。,13.2.1 湿度传感器的分类 若按照材料分类，,29,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,热敏电阻式湿度传感器如图所示，图,(,a,),是测量电路，图,(,b,),是传感器结构。,13.2.1 湿度传感器的分类 热敏电阻式湿度传,30,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,微波式湿度传感器的结构及特性如图所示。,13.2.1 湿度传感器的分类微波式湿度传感器的结构及特性,31,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,石英振子式湿度传感器的结构及特性如图所示。,13.2.1 湿度传感器的分类石英振子式湿度传感器的结构及,32,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,湿敏二极管及其感湿特性曲线如图所示。,13.2.1 湿度传感器的分类湿敏二极管及其感湿特性曲线如,33,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,湿敏MOS晶体管如图所示。,13.2.1 湿度传感器的分类湿敏MOS晶体管如图所示。,34,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,13.2 湿度传感器的分类与特性参数13.2.1 湿度传,35,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,1,.,湿度量程,能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度最大变化范围称为湿度量程，用相对湿度表示。,由于不同的湿度传感器所使用的功能材料不同，以及工作时所依据的物理效应或化学反应的不同，致使湿度传感器的量程不同。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 1.湿度量程,36,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,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,，例如电阻、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,。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 2.感湿特征量相对,37,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,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，称为,负特性湿敏传感器,。某种湿度传感器的感湿特性曲线如图所示。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 有的湿度传感,38,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,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变化的百分率称为,感湿灵敏度,，简称,灵敏度,，又称为,湿度系数,。,由于,湿度传感器的感湿特性曲线一般是非线性的，这样表示灵敏度存在困难。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 3.感湿灵敏度,39,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,目前，关于湿度传感器灵敏度的表示方法尚未得到统一，较为普遍采用的方法是，,用不同相对湿度下感湿特征量之比来表示灵敏度,。,例如，,日本生产的MgCr,2,O,4,-,TiO,2,湿度传感器的灵敏度用,R,1 %,与,R,20 %,，,R,40 %,，,R,60 %,，,R,80 %,及,R,100 %,的比值表示。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 目前，关于湿,40,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,4,.,温度系数,温度系数是反映湿度传感器感湿特征量,相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性参数。显然越小越好。温度系数分为,特征量温度系数,和,感湿温度系数,。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 4.温度系数,41,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,在环境湿度保持恒定的情况下，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为,特征量温度系数,。如感湿特征量是电阻，则电阻温度系数为：,式中，,D,T,为两个规定温度之差；,R,2,和,R,1,为这两个规定温度下湿度传感器的阻值。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 在环境湿度保,42,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,感湿温度系数,定义为：在环境湿度保持恒定的条件下，环境温度每变化1 时所引起的湿度误差。即：,式中，,D,T,为环境温度与规定温度之差；,H,2,、,H,1,分别为环境温度下和规定温度下湿度传感器的感湿特征量所对应的相对湿度。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 感湿温度系数,43,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,5,.,响应时间,在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器感湿特征量之值达到稳态值的63 %,(,也有规定90 %的,),所需要的时间称为响应时间，也称为时间常数。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。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 5.响应时间,44,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,6,.,湿滞回线和湿滞回差,湿度传感器在吸湿和脱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的相对湿度之差称为,湿滞量,。湿滞量的最大值称为,湿滞回差,。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 6.湿滞回线和湿滞回,45,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,7,.,电压特性,测量湿度时，加直流测试电压将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。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 7.电压特性,46,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,8,.,电源,频率特性,湿度传感器的阻值与外加测试电压的频率有关。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。,其他还有工作温度范围、稳定性、寿命等。,13.2.2 湿度传感器的特性参数 8.电源频率特性,47,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,2,.,1,湿度传感器的分类,13,.,2,.,2,湿度传感器的特性参数,13.2 湿度传感器的分类与特性参数13.2.1 湿度传,48,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,49,13,.,3,氯化锂湿度传感器,氯化锂湿度传感器的优点是滞后小, 不受测试环境风速影响，检测精度可达5 %，但其耐热性差，不能用于露点下测量，元件性能的重复性不理想，使用寿命短。,13.3 氯化锂湿度传感器 氯化锂湿度传感器的优,50,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,3,.,1,氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构,13,.,3,.,2,氯化锂湿敏电阻的感湿特性,13.3 氯化锂湿度传感器13.3.1 氯化锂湿敏电阻的,51,13,.,3,.,1,氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构,1,.,工作原理,氯化锂是一种电解质，由于极性水分子的作用，氯化锂可离解出能够自由移动的Li,、Cl,离子。离子的多少决定了其电导率的大小。而离子的多少又取决于给定温度下环境的相对湿度。因此，通过测量电阻即可确定环境的相对湿度。,13.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 1.工作原,52,13,.,3,.,1,氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构,2,.,传感器的结构,氯化锂湿敏电阻元件的结构如图所示。,用圆筒形支架作为基体，表面先浸涂一层聚苯乙烯憎水层，然后在聚苯乙烯薄膜上并行地绕钯丝电极，再把碱化后的聚乙烯醋酸脂和氯化锂水溶液,(,0.51.0 %,),的混合液均匀地涂在圆筒表面。当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一层阻值随环境相对湿度变化的感湿薄膜。,13.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 2.传感器,53,13,.,3,.,1,氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构,浸渍式LiCl湿度传感器的结构如图所示。,13.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 浸,54,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,3,.,1,氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构,13,.,3,.,2,氯化锂湿敏电阻的感湿特性,13.3 氯化锂湿度传感器13.3.1 氯化锂湿敏电阻的,55,13,.,3,.,2,氯化锂湿敏电阻的感湿特性,氯化锂在固态下导电能力很差，但在氯化锂水溶液中，Li,和Cl,以游离离子的形式存在，导电能力很强。氯化锂中的Li,对水蒸气有很强的吸附能力。当传感器置于湿度场中时，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分，使游离的Li,和Cl,的数量,增加，电阻率降低。反之，电阻率上升。从而实现对湿度的测量。,13.3.2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性 氯化锂在,56,13,.,3,.,2,氯化锂湿敏电阻的感湿特性,氯化锂湿敏电阻具有负感湿特性，湿度电阻特性曲线如图所示。由图可知，若采用单片湿度传感器，其测量范围一般只有30 %RH左右。,13.3.2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性 氯化锂湿,57,13,.,3,.,2,氯化锂湿敏电阻的感湿特性,为扩大测量范围，可将多个氯化锂含量不同的元件组合使用，如将测量范围分别为1020,、,2040,、,4070,、,7090和8099 %RH的五种元件配合使用，就可实现1099 %RH的湿度测量范围，如图所示。,13.3.2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性 为扩大测,58,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,3,.,1,氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构,13,.,3,.,2,氯化锂湿敏电阻的感湿特性,13.3 氯化锂湿度传感器13.3.1 氯化锂湿敏电阻的,59,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,60,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,4,.,1,湿敏器件,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,13.4 半导体陶瓷湿敏电阻13.4.1 湿敏器件,61,13,.,4,.,1,湿敏器件,1,.,元素半导体湿敏器件,在绝缘体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。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件。锗适用于高湿度的测量，特点是不受环境中灰尘等的影响，能得到比较精确的测量结果。然而在制备器件时，锗蒸发膜的老化需要较长时间，并且器件的重复性差。,13.4.1 湿敏器件 1.元素半导体湿敏器件,62,13,.,4,.,1,湿敏器件,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，后者比前者要好些，但就稳定性来说，却要差些。一般来说，硒蒸发膜湿敏器件的电阻值比锗的低，湿度范围较大，但也需要较长时间的老化。,13.4.1 湿敏器件 利用金属硒蒸发膜或无定型,63,13,.,4,.,1,湿敏器件,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0.1 cm的螺旋状，作为两个电极，在两电电极之间蒸发硒膜，制成硒蒸发膜湿度传感器。其电阻,湿度特性如图所示。,13.4.1 湿敏器件 在绝缘瓷管表面上镀一层铂,64,13,.,4,.,1,湿敏器件,2,.,金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件,由于金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及抗玷污等特点而逐渐被重视。半导体陶瓷的使用寿命长，可在很恶劣的环境下使用几万小时，这是其他湿敏器件无法比拟的。半导体陶瓷湿敏器件可检测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优点。,13.4.1 湿敏器件 2.金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件,65,13,.,4,.,1,湿敏器件,金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件按制备方法可分为两大类。一类是把金属氧化物微粒经过粘结而堆积在一起的胶体，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敏器件，一般称为,涂覆膜型湿敏器件,。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，称为,烧结型湿敏器件,。,13.4.1 湿敏器件 金属氧化物半导体陶瓷湿敏,66,13,.,4,.,1,湿敏器件,半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO,-,LiO,2,-,V,2,O,5,系、Si,-,Na,2,O,-,V,2,O,5,系、TiO,2,-,MgO,-,Cr,2,O,3,系、Fe,3,O,4,等。,若材料的电阻率随湿度增加而下降，称为,负特性湿敏半导体陶瓷,，若材料的电阻率随湿度增大而增大，称为,正特性湿敏半导体陶瓷,(为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为,半导瓷,),。,13.4.1 湿敏器件 半导体陶瓷湿敏电阻通常是,67,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,4,.,1,湿敏器件,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,13.4 半导体陶瓷湿敏电阻13.4.1 湿敏器件,68,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,关于半导瓷材料的导电机理有多种理论，目前看法尚不一致。一般认为，作为湿敏材料的多晶陶瓷，由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性，不仅载流子浓度远比晶粒内部小，而且载流子迁移率也要低得多。所以，,晶粒间界电阻要比体内高得多,，因而晶粒间界便成了半导瓷中传导电流的主要障碍。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 关于半导,69,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面附着时，就可能从半导瓷表面俘获电子。如果该半导瓷是P型的，则由于水分子的吸附使表面的空穴增加，电阻下降，这类材料就具有负感湿特性。它的阻值随着湿度的增加可下降34个数量级。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 水分子中,70,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,对于N型半导瓷，水分子的附着不仅能够使表面层的电子耗尽，还能在表面层产生大量的空穴，以致出现所谓的,表面反型层,。这些空穴称为反型载流子，它们同样可以在表面迁移而对电导作出贡献。这就说明了水分子的附着同样可使N型半导瓷材料的表面电阻下降。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 对于N型,71,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,由此得出结沦，不论是N型还是P型半导瓷，只要表面易于被水分子附着，则其电阻率都将随,湿度的增加而下降。,已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属氧化物及其盐类，都具有明显的湿敏特性，例如ZnO、CuO、Fe,2,O,3,、TiO,5,、V,2,O,5,、ZnCr,2,O,5,等。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 由此得出,72,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,几种负特性湿敏半导瓷的特性曲线如图所示。,1ZnO,-,LiO,2,-,V,2,O,5,系列；,2Si,-,Na,2,O,-,V,2,O,5,系列；,3TiO,2,-,MgO,-,Cr,2,O,3,系列,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理几种负特性湿敏半导瓷,73,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,对正特性湿敏半导瓷，可以这样简单地来理解：当水分子附着在表面时，造成表面层电子浓度下降，但不足以出现反型层，此时仍以电子导电为主，于是表面电阻将因电子浓度的下降而增大。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 对正特性,74,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,通常湿敏半导瓷材料都是多孔型的，表面电阻占的比例很大，尽管存在晶粒内部低阻支路的短路作用，表面层电阻的增大必将引起总电阻的增大。但是，总电阻的增大没有负特性材料中阻值的下降那么明显。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 通常湿敏,75,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,比较图13,.,4和图13,.,5可见，当湿度在,(,0 100,),RH范围内时，负特性材料的阻值下降三个数量级，而正特性材料阻值只增大一倍。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 比较图1,76,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,涂覆膜型湿敏元件的阻值随湿度变化非常剧烈，这是由其结构造成的。由于粉粒之间通常是很松散的，相互之间有极大的接触电阻，在总电阻中起主导作用。这种松散结构使其粉粒之间具有很大的“准自由”表面。这些表面非常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间接触处的附着将使其接触程度强化，使接触电阻显著降低。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 涂覆膜型,77,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,对于,涂覆膜型湿敏元件，接触电阻在湿敏元件中起主导作用，不论是用哪种原料，只要其结构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境湿度的增高而显著下降。例如，涂覆膜型Fe,3,O,4,湿敏电阻具有负特性，而烧结型Fe,3,O,4,湿敏电阻却具有正特性。,13.4.2 半导瓷湿敏材料的导电机理 对于涂覆,78,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,4,.,1,湿敏器件,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,13.4 半导体陶瓷湿敏电阻13.4.1 湿敏器件,79,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,1,.,烧结型半导体陶瓷湿敏电阻,目前，从各国湿度传感器产量可以看出，约有50 %以上是烧结型的，而厚膜和薄膜各占15 %到20 %。烧结型陶瓷湿度传感器品种繁多，其性能也各不相同。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 1.烧结型半导体陶,80,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,多孔质烧结型陶瓷MgCr,2,O,4,-,TiO,2,湿敏器件的结构如图所示。为避免底座上测量电极2、3之间因吸湿和污染而引起的漏电，在其周围设置了隔离环。,加热器引出线,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 多孔质烧结,81,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,电极材料选用RuO,2,，这是因为RuO,2,电极具有多孔性，允许水分子通过电极到达陶瓷表面，同时RuO,2,的热膨胀系数与陶瓷体一致，附着力也比较好。另外，RuO,2,化学性能稳定。电极的制作方法是将RuO,2,浆料用丝网印刷方法印刷在陶瓷体的两个表面上，在800 下烧结15分钟，然后焊接出Pt,-,Ir引线。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 电极材料选,82,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,湿度传感器裸露在大气中工作，在使用过程中不可避免地要吸附一部分油污和有害气体，这会使传感器的灵敏度大大下降，甚至失效。为使传感器再生复原以便重复使用，在陶瓷感湿体的周围设置一个加热器。加热温度为450 ，加热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度，需要对湿度传感器,定时进行加热清洗,。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 湿度传感器,83,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,(,1,),感湿特性,MgCr,2,O,4,-,TiO,2,系陶瓷湿度传感器的电阻,湿度特性如图所示。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 (1)感湿,84,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,(,2,),感湿温度系数,图示为电阻,温度特性。各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，为,0.38 %RH,/,。如果要精确测量湿度，需进行温度补偿。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 (2)感湿,85,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,(,3,),响应时间特性,如图所示，响应时间小于10 s。,(,4,),稳定性,制成的MgCr,2,O,4,-,TiO,2,系湿度传感器需经过高温高负荷实验、常温常湿实验、油气循环实验，以保证其稳定性。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 (3)响应,86,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,(,5,),湿,气多功能检测,某些氧化或还原性气体在高温下也可在陶瓷晶粒表面上产生化学吸附，使其导电能力发生变化，所以在工作温度高时也可用来检测气体。图示为MgCr,2,O,4,-,TiO,2,系陶瓷的高温气敏特性。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 (5)湿,87,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,2,.,涂覆膜型Fe,3,O,4,湿敏器件,涂覆膜型湿敏器件有许多种类。其特点是物理、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。材料有Cr,2,O,3,、Ni,2,O,3,、Fe,2,O,3,、ZnO、Fe,3,O,4,和Al,2,O,3,等。比较典型且性能较好的是Fe,3,O,4,湿敏器件。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 2.涂覆膜型Fe3,88,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,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，这时就沉淀出黑色的Fe,3,O,4,。用纯水洗去杂质，可做成高质量的Fe,3,O,4,胶体。,用滑石瓷作基片，在基片上用丝网印刷工艺印制成梳状金电极。将纯净的Fe,3,O,4,胶粒用水调成适当粘度的浆料，然后涂覆在印制了金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 把氯化铁和,89,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,由器件的工作机理可知，这是一种体效应器件。当环境湿度发生变化时，水分子要在数十微米厚的感湿膜内充分扩散，才能与环境湿度达到平衡。这一扩散及平衡过程需要的时间较长，使器件响应缓慢。由于吸湿和脱湿过程响应速度的差别，使器件具有较明显的湿滞效应，这也是此类器件的缺点。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 由器件的工,90,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,Fe,3,O,4,湿敏器件如图所示。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻Fe3O4湿敏器件如图,91,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,3,.,ZnO,-,Cr,2,O,3,陶瓷湿敏元件,其结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装在有网眼过滤的方形塑料盒中并用树脂固定。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 3.ZnO-Cr2,92,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,ZnO,-,Cr,2,O,3,传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，功耗低于0.5 W，体积小，成本低，是一种常用的测湿传感器。其感湿特性如图所示。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻 ZnO-C,93,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,这种湿度传感器的响应特性如图所示。,13.4.3 几种典型半导瓷湿敏电阻这种湿度传感器的响应特,94,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,4,.,1,湿敏器件,13,.,4,.,2,半导瓷湿敏材料的导电机理,13,.,4,.,3,几种典型半导瓷湿敏电阻,13.4 半导体陶瓷湿敏电阻13.4.1 湿敏器件,95,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,96,13,.,6,高分子湿度传感器,用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用它的,吸湿性,和,胀缩性,。利用某些高分子电介质吸湿后介电常数发生变化的特征可制成电容式湿度传感器；利用某些高分子电解质吸湿后电阻变化的特征可制成电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子树脂和导电粒子吸湿后的开关特性可制成结露传感器。,13.6 高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成,97,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,13,.,6,.,3,结露传感器,13.6 高分子湿度传感器13.6.1 电容式高分子湿度,98,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,高分子电介质电容式湿度传感器的基本结构如图所示。在刷有梳状金电极,(下电极)的玻璃基片上涂上醋酸纤维素(或酰胺纤维素或硝化纤维素)感湿膜，再在感湿膜上蒸镀一层多孔金薄膜(上电极),，即构成一平板电容器。,13.6.1 电容式高分子湿度传感器 高分子电介,99,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,如图所示，电容式高分子湿度传感器的电容随环境湿度增加而增加。其输出特性的线性度与电源频率有关。当电源频率为1.5 MHz左右时，线性度较好。,13.6.1 电容式高分子湿度传感器 如图所示，,100,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,电容式高分子湿度传感器的特点是：吸湿响应时间短，一般小于5 s；感湿特性受温度的影响小，550 范围内，电容温度系数一般为0.06 %RH,/,。,13.6.1 电容式高分子湿度传感器 电容式高分,101,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,13,.,6,.,3,结露传感器,13.6 高分子湿度传感器13.6.1 电容式高分子湿度,102,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,电阻式湿敏高分子材料很多，常见的是高分子电解质,聚苯乙烯磺酸锂，传感器结构如图所示。,13.6.2 电阻式高分子湿度传感器 电阻式湿敏,103,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,先用具有一定机械强度和绝缘性能的憎水性高分子聚合物聚苯乙烯制成基片，然后将基片浸入浓硫酸中，在硫酸银催化剂的作用下进行磺化。之后用去离子水冲洗并烘干，即在聚苯乙烯表面上制备了一层亲水性的磺化聚苯乙烯。,13.6.2 电阻式高分子湿度传感器 先用具有一,104,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,将磺化聚苯乙烯基片放入氯化锂饱和溶液中进行离子交换，把吸湿性很强的锂离子交换到磺化聚苯乙烯上去，就得到一种感湿性很强的聚苯乙烯磺酸锂感湿膜。然后在感湿膜上印刷梳状电极，即制成了高分子聚苯乙烯磺酸锂湿敏电阻传感器。,13.6.2 电阻式高分子湿度传感器 将磺化聚苯,105,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,聚苯乙烯磺酸锂是一种强电解质。由于极强的吸水性，吸水后电离，在其水溶液里含有大量的锂离子。吸湿量不同，其阻值也不同。根据阻值变化可以测量相对湿度。,13.6.2 电阻式高分子湿度传感器 聚苯乙烯磺,106,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性如图所示。,13.6.2 电阻式高分子湿度传感器 传感器在吸,107,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,13,.,6,.,3,结露传感器,13.6 高分子湿度传感器13.6.1 电容式高分子湿度,108,13,.,6,.,3,结露传感器,汽车玻璃窗、建材、各种精密机器及录像机磁头等存在结露现象，需要用结露传感器进行自动控制。最初采用在乙基纤维素内添加碳粉的方法制造结露传感器，由于材料的热及化学稳定性差，长期稳定性及一致性不能得到较好的解决。随着材料科学的进步，开发生产了稳定性、耐热性好的有机高分子材料结露传感器。,13.6.3 结露传感器 汽车玻璃窗、建材、各种,109,13,.,6,.,3,结露传感器,树脂分散型结露传感器的结构如图所示，感湿薄膜由吸湿性树脂和碳粉组成。吸湿性树脂是一种新开发的亲水性丙烯酸系聚合物。其特征是不溶于水，在100 下长期放置性能稳定，且脱湿的速度快、湿滞误差小。,13.6.3 结露传感器 树脂分散型结露传感器的,110,13,.,6,.,3,结露传感器,结露传感器利用的是掺入碳粉的高分子材料在高湿下膨胀，引起其中所含碳粉间距的变化而产生电阻突变的开关特性。,HDP07结露传感器如图所示。其,特点为：高湿环境下具有极高敏感性；具有开关功能；响应速度快；抗污染能力强；可靠性高、稳定性好。,13.6.3 结露传感器 结露传感器利用的是掺入,111,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,6,.,1,电容式高分子湿度传感器,13,.,6,.,2,电阻式高分子湿度传感器,13,.,6,.,3,结露传感器,13.6 高分子湿度传感器13.6.1 电容式高分子湿度,112,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,113,13,.,7,测量电路,13,.,7,.,1,电源选择,13,.,7,.,2,温度补偿,13,.,7,.,3,线,性,化,13.7 测量电路13.7.1 电源选择,114,13,.,7,.,1,电源选择,湿敏电阻必需工作在交流回路中，若长期在定向直流下工作，将使湿敏电阻性能恶化甚至完全失效。这是由于多孔瓷的表面有水分附着的地方还存在一种水解分子或水分本身的电离过程，如果水分子附着密度过高时整个表面将构成一层离子型导电通路，与体内电子通路相并联。即使环境湿度不太大，水分子主要附着在颈部，不一定能形成通路，但仍将出现部分电解现象。,13.7.1 电源选择 湿敏电阻必需工作在交流回,115,13,.,7,.,1,电源选择,如果感湿元件在直流下工作，伴随着上述电解过程必然形成正、负离子的单向积聚或O,2,、H,在正、负极的释放等现象，还可能在氧化半导瓷表面出现不同方式与不同程度的化学反应，如氧化还原作用，基质离子迁移等。直流电压作用时间越长，这种现象越严重，最终将使这种多孔瓷的表面结构改变、湿敏特性变劣。,13.7.1 电源选择 如果感湿元件在直流下工作,116,13,.,7,.,1,电源选择,要求交流频率在不产生正、负离子定向积聚的情况下尽可能低一些。如果电源频率太高，将会由于测试回路的附加阻抗而影响灵敏度和准确度。例如，当频率接近射频时，必须严格限制测湿探头引线的长度。如果引线过长，容抗下降，等于将湿敏电阻旁路或短路。,13.7.1 电源选择 要求交流频率在不产生正、,117,13,.,7,.,1,电源选择,此外，由于水本身是一种介电常数比较高的介质，频率太高也会由于其容性效应而影响准确度。不过从振荡电源的产生、稳定和耦合角度来考虑，频率高便于设计和处理。所以，对离子导电型测湿元件，电源频率应该大于50 Hz，一般以1000 Hz为宜；而对于电子导电型测湿元件，可低于50 Hz，甚至12 Hz也能正常工作，这时长达数百米的探头引线也不会影响测湿精度。,13.7.1 电源选择 此外，由于水本身是一种介,118,13,.,7,测量电路,13,.,7,.,1,电源选择,13,.,7,.,2,温度补偿,13,.,7,.,3,线 性,化,13.7 测量电路13.7.1 电源选择,119,13,.,7,.,2,温度补偿,氧化物半导瓷湿敏电阻,R,与温度,T,和湿度,f,的关系一般为指数函数关系。通常其温度关系属于NTC型，即：,式中，,R,0,为,T,、,f,0时的阻值；,B,和,A,分别为元件的温度与湿度特性常数。对上式求导，则得温度系数,TCR,和湿度系数,HCR,分别为：,13.7.2 温度补偿 氧化物半导瓷湿敏电阻R与,120,13.7.2,温度补偿,通常在25 时温度系数为,(,0.10.3,),%,/,，当环境温度有1020 的偏离时，可能引起测湿误差为,(,16,),RH，故在测湿精度要求较高的情况下，必须进行温度补偿。,13.7.2 温度补偿 通常在25 时温度系数,121,13,.,7,.,2,温度补偿,最简单有效的温度补偿方法是在测湿回路内串接正温度系数,(,即PTC,),型热敏电阻。因为：,其中：,13.7.2 温度补偿 最简单有效的温度补偿方法,122,13,.,7,.,2,温度补偿,则回路阻值与温度的关系为：,式中，n、p分别代表NTC和PTC。,假设两电阻的初值均为,R,0,，可得：,13.7.2 温度补偿 则回路阻值与温度的关系为：式,123,13,.,7,.,2,温度补偿,要使,R,不随温度变化，必须使：,由式(,13,.,8,)可知，只能在一定温区内找到相对理想的,PTC,电阻来作为补偿元件，但不能在较宽的温区内做到完全跟踪补偿。,13.7.2 温度补偿 要使R不随温度变化，必须使：,124,13,.,7,测量电路,13,.,7,.,1,电源选择,13,.,7,.,2,温度补偿,13,.,7,.,3,线 性,化,13.7 测量电路13.7.1 电源选择,125,13,.,7,.,3,线,性,化,由式,(,13,.,4,),知，湿敏元件的阻值与湿度之间为指数关系，为此，常用对数电路将其线性化。,13.7.3 线 性 化 由式(13.4)知，湿,126,如图所示为湿度传感器测量电路原理框图。,13,.,7,.,3,线,性,化,如图所示为湿度传感器测量电路原理框图。13.7.3 线 性,127,13,.,7,测量电路,13,.,7,.,1,电源选择,13,.,7,.,2,温度补偿,13,.,7,.,3,线 性,化,13.7 测量电路13.7.1 电源选择,128,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概 述,129,13,.,8,湿敏传感器的应用,13,.,8,.,1,汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿,13,.,8,.,2,湿度传感器在家用录像机中的应用,13,.,8,.,3,湿度传感器在室内空调中的应用,13.8 湿敏传感器的应用13.8.1 汽车驾驶室挡风玻,130,13,.,8,.,1,汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿,图示为挡风玻璃示意图和挡风玻璃自动去湿电路。,R,S,为嵌入玻璃的加热丝，H为结露敏感元件即湿敏电阻,R,H,。常温常湿下，BG,1,导通BG,2,截止，继电器J不通，不加热。反之，加热。,(,a,),挡风玻璃示意图,(,b,),挡风玻璃自动去湿电路,R,S,H(,R,H,),R,S,R,1,R,2,E,13.8.1 汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿 图示为,131,13,.,8,湿敏传感器的应用,13,.,8,.,1,汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿,13,.,8,.,2,湿度传感器在家用录像机中的应用,13,.,8,.,3,湿度传感器在室内空调中的应用,13.8 湿敏传感器的应用13.8.1 汽车驾驶室挡风玻,132,13,.,8,.,2,湿度传感器在家用录像机中的应用,在录像机内部设置了结露检测电路，在湿度过大时，自动使之停机。一种,录像机结露报警控制电路如图所示。,13.8.2 湿度传感器在家用录像机中的应用 在,133,13,.,8,湿敏传感器的应用,13,.,8,.,1,汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿,13,.,8,.,2,湿度传感器在家用录像机中的应用,13,.,8,.,3,湿度传感器在室内空调中的应用,13.8 湿敏传感器的应用13.8.1 汽车驾驶室挡风玻,134,13,.,8,.,3,湿度传感器在室内空调中的应用,通常，为使室内环境感觉舒适，温度应控制在1626 ，相对湿度应控制在,(,4060,),%RH范围内。只要在空调原有的温度控制基础上，增加湿度控制功能即可。可采用低功耗、高可靠性的ZnO,-,Cr,2,O,3,系陶瓷湿度传感器。,13.8.3 湿度传感器在室内空调中的应用 通常,135,13,.,8,湿敏传感器的应用,13,.,8,.,1,汽车驾驶室挡风玻璃自动去湿,13,.,8,.,2,湿度传感器在家用录像机中的应用,13,.,8,.,3,湿度传感器在室内空调中的应用,13.8 湿敏传感器的应用13.8.1 汽车驾驶室挡风玻,136,第13章,湿度传感器,13,.,1,概,述,13,.,2,湿度传感器的分类与特性参数,13,.,3,氯化锂湿度传感器,13,.,4,半导体陶瓷湿敏电阻,13,.,5,多孔硅湿敏元件,13,.,6,高分子湿度传感器,13,.,7,测量电路,13,.,8,湿敏传感器的应用,第13章 湿度传感器13.1 概,137,