湿度传感器技术.ppt

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1、齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 湿度传感器湿度传感器Humidity Sensor齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 目 录一、一、简介简介二、湿度及湿度传感器的特性及分类二、湿度及湿度传感器的特性及分类三、电解质系湿度传感器三、电解质系湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器六、非水分子亲合力型湿度传感器六、非水分子亲合力型湿度传感器七、湿度传感器的应用及发展动向七、湿度传感器的应用及发展动向八、我在读博期间

2、所做的有关湿度传感器的研究八、我在读博期间所做的有关湿度传感器的研究 齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 一、简一、简 介介p 湿度测量技术湿度测量技术 湿度测量技术发展已有湿度测量技术发展已有200200多年历史。人们对多年历史。人们对湿敏元件的认识是从湿敏元件的认识是从19381938年美国人年美国人F.W.DummoreF.W.Dummore研制研制成功浸涂式成功浸涂式LiClLiCl湿敏元件开始的。从此以后，已有湿敏元件开始的。从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。几十种湿敏元件及传感器应运而生。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术

3、及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 湿度检测的重要性湿度检测的重要性p湿湿度度与与科科研研、生生产产、人人们们生生活活、植植物物生生长长有有密密切切关关系系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。p目目前前人人们们对对湿湿度度的的重重视视程程度度远远不不及及对对温温度度的的重重视视。因因此此湿湿度度测测量量技技术术的的研研究究及及其其测测量量仪仪器器远远不不如如温温度度测测量量技术与仪器那样精确与完善。技术与仪器那样精确与完善。p由由于于对对湿湿度度监监测测不不够够精精确确，致致使使大大批批精精密密仪仪器器与与机机械械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因

4、此造成巨大损失。装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 二、湿度及湿度传感器的特性及分类二、湿度及湿度传感器的特性及分类1 1、湿度及其表示方法、湿度及其表示方法2 2、湿度传感器及其特性参数、湿度传感器及其特性参数3 3、湿度传感器的分类、湿度传感器的分类 齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 1 1、湿度及其表示方法、湿度及其表示方法p在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。p大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来

5、表示，也就是说，湿湿度度是是表表示示大大气气干干湿湿程程度度的的物理量物理量。p大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度绝对湿度与相对湿度。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 绝对湿度绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为:式中：被测空气的绝对湿度 MV一被测空气中水汽的质量 V 被测空气的体积齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 p相相对对湿湿度度是是气气体体的的绝绝对对湿湿度度(V)，与与在在同同一一温温度度下下水水蒸蒸汽汽已

6、已达达到到饱饱和和的的气气体体的的绝绝对对湿湿度度(W)之之比比，常常表表示示为为RH。其其表表达达式式为：为：相对湿度相对湿度=(V/W)100%RHp根根据据道道尔尔顿顿分分压压定定律律，空空气气中中压压强强PPa十十PV（Pa为为干干空空气气分分压压，PV为为湿湿空空气气气气压压)和和理理想想状状态态方方程程，通通过过变变换换，又又可可将将相相对对湿湿度度用分压表示：用分压表示：相对湿度相对湿度(PV/PW)100%RH式中：式中：PV-待测气体的水汽分压；待测气体的水汽分压；PW-同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。相对湿度相对湿度齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感

7、器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 露点、露点温度及相对湿度的关系露点、露点温度及相对湿度的关系n原原理理可可以以叙叙述述为为：当当一一定定体体积积的的湿湿空空气气在在恒恒定定的的总总压压力力下下被被均均匀匀降降温温时时，在在冷冷却却的的过过程程中中，气气体体和和水水汽汽两两者者的的分分压压力力保保持持不不变变，直直到到空空气气中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点。中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点。n如果空气的温度是Ts，露点温度为Td，则湿空气的相对湿度可以通过下式算出：齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 2 2、湿度传感器及

8、其特性参数、湿度传感器及其特性参数p湿度传感器是指将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置的器件式装置。主要特性参数有：湿度量程感湿特征量灵敏度湿度温度系数响应时间湿滞回线和湿滞回差1.1.水分子亲和力型湿度传感器水分子亲和力型湿度传感器 湿敏材料吸附湿敏材料吸附（物理吸附和化学（物理吸附和化学吸附）水分子后，使其电气性能吸附）水分子后，使其电气性能（电阻、电介常数、阻抗等）变（电阻、电介常数、阻抗等）变化。湿敏电阻、湿敏电容等。化。湿敏电阻、湿敏电容等。2.2.非水分子亲和力型湿度传感器非水分子亲和力型湿度传感器 利用物理效应的湿度传感器。

9、利用物理效应的湿度传感器。热敏电阻式、热敏电阻式、红外吸收式、超红外吸收式、超声波式和微波式湿度传感器。声波式和微波式湿度传感器。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 湿度量程湿度量程p保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。即感湿范围。即感湿范围。p湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0100RH的全量程。理理想想情情况况：0-100%RH；一一般般情情况况：5-95%RH。氯化锂湿敏特性曲线齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟

10、主讲 感湿特征量感湿特征量 相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线p 每一种湿敏元件都有其感湿特征量，每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。如电阻、电容、电压、频率等。感湿特征量：感湿特征量：湿度变化所引起的传感器湿度变化所引起的传感器的输出量。的输出量。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 感湿特性曲线感湿特性曲线p 湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化 的关系曲线的关系曲线.齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 感湿灵敏度感湿灵敏度p定定义义：湿敏

11、元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化、元件感湿特征量的变化程度。在一定湿度范围内，相对湿度变化在一定湿度范围内，相对湿度变化1%RH1%RH时时,其感湿特征量的变化值或变化百分率。其感湿特征量的变化值或变化百分率。因此，它应当是湿敏元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。p然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的，在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 普遍采

12、用的灵敏度的方法普遍采用的灵敏度的方法 目目前前，虽虽然然关关于于湿湿敏敏元元件件灵灵敏敏度度的的表表示示方方法法尚尚未未得得到到统统一一，但但较较为为普普遍遍采采用用的的方方法法是是，用用元元件件在在不不同同环环境境湿湿度度下下的的感感湿特征量之比来表示灵敏度。湿特征量之比来表示灵敏度。例例如如：日日本本生生产产的的MgCr2O4-TiO2湿湿敏敏元元件件的的灵灵敏敏度度，用用一一组组电电阻阻比比R1%R20%，R1%R40%，R1%R60%，R1%R80%及及R1%R100%表表示示，其其中中R1%，R20%，R40%，R60%，R80%及及R100%分分别别为为相相对对湿湿度度在在1，2

13、0，40，60，80及及100时湿敏元件的电阻值之比。时湿敏元件的电阻值之比。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 湿度温度系数湿度温度系数p湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。变化的特性参数。p湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿敏元件感湿特征量恒湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。温度的变化率。k湿敏元件的感湿敏元件的感湿特征量湿特征

14、量一般情况下：湿敏一般情况下：湿敏电阻的温度系数电阻的温度系数齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 响应时间响应时间p响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。湿度变化的快慢程度。湿度传感器的动态响应特性。湿度传感器的动态响应特性。p一般规定：响应相对湿度变化量的63.2时所需要的时间为响应时间。分为吸湿响应时间和脱湿响应时间，湿敏元件吸分为吸湿响应时间和脱湿响应时间，湿敏元件吸湿和脱湿响应时间不同，具有滞后现象。湿和脱湿响应时间不同，具有滞后现象。p在标记时，应写明湿

15、度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 湿滞回线和湿滞回差湿滞回线和湿滞回差 各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 Mn3O4-TiO2湿敏器件湿敏器件在在80时的湿滞回线时的湿滞回线p 湿滞回线定义：湿滞现象可湿滞回线定义：湿滞现象可 以用以用吸湿和脱湿特征曲线所吸湿和脱湿特征曲线所 构成的回线构成的回线来表示，我们称来表示，我们

16、称 这一回线为湿滞回线。这一回线为湿滞回线。p 湿滞回差定义：在湿滞回线湿滞回差定义：在湿滞回线 上所表示的最大量差值为湿上所表示的最大量差值为湿 滞回差。滞回差。p 人们希望湿敏元件的湿滞回人们希望湿敏元件的湿滞回 差越小越好差越小越好。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数p使用寿命长，长期稳定性好；p灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好；p使用范围宽，湿度温度系数小；p响应时间短；p湿滞回差小；p能在有害气氛的恶劣环境中使用；p器件的一致性和互换性好，易于批量生产；p器件感湿特征量应在易测范围以内。齐齐哈尔大学

17、齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 三、电解质系湿度传感器三、电解质系湿度传感器1 1、无机电解质湿度传感器、无机电解质湿度传感器2 2、高分子电解质湿度传感器、高分子电解质湿度传感器齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 1 1、无机电解质湿度传感器无机电解质湿度传感器p 典型的是氯化锂氯化锂湿敏元件氯化锂湿敏元件敏感机理氯化锂湿敏元件敏感机理p氯化锂是典型的离子晶体。氯化锂溶液中的Li和Cl是以正、负离子形式存在。p当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分而使其电离程度提高，导电能力增强，从而使

18、氯化锂湿敏元件电阻降低；反之，环境相对湿度变低，氯化锂将释放出部分水分而使其电离程度下降，导电能力下降，电阻上升。所以用氯化锂湿敏元件可实现对相对湿度的测量。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 登莫（登莫（DunmoreDunmore）式）式湿度传感器湿度传感器工艺：登登莫莫式式传传感感器器是是在在聚聚苯苯乙乙烯烯圆圆管管上上做做出出两两条条相相互互平平行行的的铝铝引引线线作作为为电电极极，在在管管上上涂涂覆覆一一层层经经过过适适当当碱碱化化处处理理的的聚聚乙乙烯烯醋醋酸酸盐盐和和氯氯化化锂锂水水溶溶液液的的混混合合液液，以以形形成成均均匀匀薄薄膜

19、膜。若若只只采采用用一一个个传传感感器器件件，则则其其检检测测范范围围狭狭窄窄。因因此此，设设法法将将氯氯化化锂锂含含量量不不同同的的几几种种传传感感器器组组合合使使用用，使使其其检检测测范围能达到（范围能达到（20-90）%RH的相对湿度。的相对湿度。A 为用聚苯乙烯包封的铝管；B 为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A 上的铝丝。登莫式湿度传感器结构登莫式湿度传感器结构和感湿特性曲线和感湿特性曲线齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 浸渍式（浸渍式（1 1）p浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮，在基片上浸渍氯

20、化锂溶液。p这种方式与登莫式不同，它部分地避免了高湿度下所产生的湿敏膜的误差。由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。p它适应于微小空间的湿度检测。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 与登莫式传感器一样，若仅使用一个这种传感器，则所能检测的湿度范围狭窄。因此，为了能够对传感器材料所能检测的整个湿度范围（20-90RH的相对湿度）都能进行检则，就必须使用几个特性不同（改变氯化锂溶液浓度的器件）的传感器。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 浸渍式（浸渍式（

21、2 2）p在这种方式的传感器中，还有在玻玻璃璃带带上上浸有氯氯化化锂锂溶溶液液的另一类浸渍式湿度传感器。p这种传感器的优点是：采用两种不同氯化锂溶液浓度的传感器，就能够检测出（20-80RH）的相对湿度。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 光硬化树脂电解质湿敏元件光硬化树脂电解质湿敏元件 p将树脂、氯化锂、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液，浸涂在蒸镀有电极的塑料基片上，干燥后放置在紫外线、助膜剂下曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。p它可在80温温度度下使用，并且有较好的耐水性，不怕“冲蚀”，从而提高了元件的性能。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感

22、器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 2 2、高分子电解质湿度传感器、高分子电解质湿度传感器 聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件 有机季铵盐高分子电解质湿敏元件 聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 v湿敏电阻；测湿范围：湿敏电阻；测湿范围：2099.9%RH2099.9%RH；温度系数：；温度系数：=0.6%RH0.6%RH；耐水性好。；耐水性好。1聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件v在聚苯乙烯磺酸锂强电解质感湿膜上制作多孔性梳状金电极在聚苯乙烯磺酸锂强电解质感湿膜上制作多孔性梳状金电极而成而成湿敏电阻。湿敏电阻。

23、v工作温度：工作温度：3090；测湿范围：；测湿范围：0100%RH。2有机季铵盐高分子电解质湿敏元件有机季铵盐高分子电解质湿敏元件v离子导电高分子湿敏材料，吸湿电离导致电极间电阻变化测离子导电高分子湿敏材料，吸湿电离导致电极间电阻变化测湿湿湿敏电阻。湿敏电阻。3聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆有交联剂聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆有交联剂的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯磺酸铵交联、聚合，的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯磺酸铵交联、聚合，形成体形高分子，再加保护膜，

24、形成具有复膜结构的感湿元件。形成体形高分子，再加保护膜，形成具有复膜结构的感湿元件。该元件测湿范围为（该元件测湿范围为（30100）RH；温度系数为；温度系数为-0.6%RH。具有优。具有优良的耐水性、耐烟草性，一致性好。良的耐水性、耐烟草性，一致性好。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲(a)感湿特性；感湿特性；(b)抗水浸性能；抗水浸性能；(c)温度特性；温度特性；(d)稳定性实验稳定性实验在整个相对湿度范围内元件均有感湿特在整个相对湿度范围内元件均有感湿特性，并且其阻值与相对湿度的关系在对性，并且其阻值与相对湿度的关系在对数坐标上基本为一直线。

25、实验证明，元数坐标上基本为一直线。实验证明，元件的感湿特性与基片表面的磺化时间密件的感湿特性与基片表面的磺化时间密切相关，亦即与亲水性的离子交换树脂切相关，亦即与亲水性的离子交换树脂的性能有关。的性能有关。对湿敏元件进行抗水浸对湿敏元件进行抗水浸性能的试验（水浸两小性能的试验（水浸两小时），结果如图所示。时），结果如图所示。水浸后元件阻值略有提水浸后元件阻值略有提高，在低湿段较为明显。高，在低湿段较为明显。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 四、半导体及陶瓷湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器 按其制作工艺分类：按其制作工艺分类：涂覆膜型、烧结体型

26、、厚膜型、薄膜型及涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及MOSMOS型等。型等。涂覆膜型涂覆膜型 烧结体型烧结体型 薄膜型薄膜型齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 1 1、涂覆膜型、涂覆膜型v结构：结构：感湿材料粉末四氧化三铁（感湿材料粉末四氧化三铁（Fe3O4）调浆，喷洒）调浆，喷洒涂覆于带电极的基片上构成。涂覆于带电极的基片上构成。v主要性能：主要性能：湿敏电阻；测湿范围：湿敏电阻；测湿范围：0-100%RH；稳定；稳定性好；响应时间长。性好；响应时间长。v其它涂覆膜型湿敏材料：其它涂覆膜型湿敏材料：三氧化二三氧化二铬（铬（Cr2O3），三氧），

27、三氧化二锰化二锰（Mn2O3），），氧化铝氧化铝（Al2O3），），氧化锌氧化锌（ZnO），），二氧化钛二氧化钛（TiO2）等金属氧化物）等金属氧化物。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 涂覆膜型涂覆膜型FeFe3 3O O4 4湿敏元件湿敏元件工工艺：艺：一般采用滑石瓷作为元件的基片。在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状金电极。将纯净的黑色Fe 3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 涂覆膜型涂覆膜型Fe

28、3O4湿敏元件的结构和性能湿敏元件的结构和性能 元件的湿滞现象在高湿较为明显：元件的湿滞现象在高湿较为明显：最大湿滞回差约为最大湿滞回差约为4%RH4%RH，可以，可以满足民用的要求满足民用的要求。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 2 2、烧结体型、烧结体型将两种以上金属氧化物半导体材料烧结而成的多孔将两种以上金属氧化物半导体材料烧结而成的多孔陶瓷的半导体陶瓷湿敏元件。陶瓷的半导体陶瓷湿敏元件。特特 点点 这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。

29、积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 代表性产品代表性产品 这是一类十分有发展前途的湿敏元件，其中较为成这是一类十分有发展前途的湿敏元件，其中较为成熟，且具有代表性的是：熟，且具有代表性的是：铬酸镁铬酸镁-二氧化钛（二氧化钛（MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2)陶瓷湿敏元件；陶瓷湿敏元件；五氧化二钒五氧化二钒-二氧化钛（二氧化钛（V V 2 2O O5 5-TiO-TiO2 2）陶瓷湿敏元件；）陶瓷湿敏元件；羟基磷灰石（羟基磷灰石（CaCa1010（POPO4 4）6 6（OHOH）2

30、2）陶瓷湿敏元件；）陶瓷湿敏元件；氧化锌氧化锌-三氧化二铬（三氧化二铬（ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3）陶瓷湿敏元件等。）陶瓷湿敏元件等。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 氧化镁复合氧化物氧化镁复合氧化物-二氧化钛（二氧化钛（MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2）湿敏元件（湿敏元件（MCTMCT型）型）结构：按结构：按MgCr2O4:TiO2=70%:30%混合烧结混合烧结（1300）成陶瓷体，切片，印制电极制成感湿体。）成陶瓷体，切片，印制电极制成感湿体。感湿机理：感湿机理：陶瓷烧结体微结晶表面对水分子的吸、脱，

31、陶瓷烧结体微结晶表面对水分子的吸、脱，电极间电阻变化电极间电阻变化湿敏电阻。湿敏电阻。感湿特性：感湿特性：工作温度：工作温度：150，最高达，最高达600；测湿；测湿范围：范围：1100%RH；稳定性好；响应时间；稳定性好；响应时间 20s；等。；等。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 MgCr2O4-TiO2湿敏元件的结构和感湿特性曲线湿敏元件的结构和感湿特性曲线pp 元件安放在一种高度致密的、元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。疏水性的陶瓷底片上。pp 为消除底座上测量电极为消除底座上测量电极2 2和和3 3 之间由于吸湿和沾污而引起

32、的之间由于吸湿和沾污而引起的 漏电，在电极漏电，在电极2 2和和3 3的四周设置的四周设置 了金短路环。了金短路环。特点：特点：1 1、体积小、测湿范围宽，一片即、体积小、测湿范围宽，一片即可测（可测（1-1001-100）RHRH，并可用，并可用于高温环境（于高温环境（150150），最高最高承受温度可达承受温度可达 600600；2 2、能用电热反复进行清洗，除掉、能用电热反复进行清洗，除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其它污染物，盐、酸、气溶胶或其它污染物，以保持精度不变；以保持精度不变；3 3、响应速度快（一般不超过、响应速度快（一般不超过20s2

33、0s）；）；4 4、长期稳定性好、长期稳定性好。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 五氧化二钒五氧化二钒-二氧化钛二氧化钛（V V 2 2O O5 5-TiO-TiO2 2）陶瓷湿敏元件）陶瓷湿敏元件p V2O5-TiO2 陶瓷湿敏元件系陶瓷多孔质烧结体，是利用体积吸附水汽现象的湿敏元件，元件内部的两根白金丝电极包埋在线圈内，通过测定电极间的电阻检测湿度。p特点是：测湿范围宽、能够耐高温、响应时间短；p缺点是：元件容易发生漂移，漂移量与相对湿度成比例。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 羟基磷灰石陶瓷湿

34、敏元件羟基磷灰石陶瓷湿敏元件p羟羟基基磷磷灰灰石石陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件是是国国外外研研究究得得比比较较多多的的磷磷灰灰石石系系陶瓷湿敏元件。陶瓷湿敏元件。p羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性。羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性。p当当 在在 54 RH和和 100 RH湿湿 度度 下下，以以 每每 5min加加 热热30s（450）的的周周期期进进行行4000次次热热循循环环试试验验后后，其其误误差差仅仅为为3.5RH。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 氧化锌氧化锌-三氧化二铬陶瓷湿敏元件三氧化二铬陶瓷湿敏元件p上上面面介介绍绍的的几几种

35、种烧烧结结型型陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件均均需需要要加加热热清清洗洗去去污污。这这样样在在通通电电加加热热及及加加热热后后，延延时时冷冷却却这这段段时时间间内内元元件件不不能能使使用用，因因此此，测测湿湿是是断断续续的。这在某些场合下是不允许的。的。这在某些场合下是不允许的。p为为此此，国国外外已已研研制制出出不不用用电电热热清清洗洗的的陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件。ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3陶陶瓷瓷湿湿敏敏元件就是其中的一种。元件就是其中的一种。pZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3陶瓷湿敏元件特点：陶瓷湿敏元件特点：q电电阻阻率率几几乎乎不不随随温温度度改改变变，老老化化现

36、现象象很很小小，长长期期使使用用后后电电阻阻率率变变化化只只有百分之几；有百分之几；q元件的响应速度快：（元件的响应速度快：（0 0-100-100）RHRH时，约时，约10s10s；q湿度变化湿度变化2020时，响应时间仅时，响应时间仅2s2s；q吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 3 3、薄膜型、薄膜型 氧化铝薄膜湿敏元件 钽电容敏感元件薄膜型陶瓷湿敏传感器主要为湿敏电容，基于感湿材薄膜型陶瓷湿敏传感器主要为湿敏电容，基于感湿材料吸湿后电介常数变化。使用时一般将电容信号调理料吸湿后电介

37、常数变化。使用时一般将电容信号调理成频率输出。成频率输出。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 氧化铝薄膜湿敏元件p特点：电容式p测湿原理主要是多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸气，从而改变了其本身的介电常数。p这样由三三氧氧化化二二铝铝做电介质构成的电容器的电容值，将随空气中水蒸气分压而变化。测量电容位，即可得出空气的相对湿度。p优点：体积小、工作温度范围宽（从-111+20及从+20+60）、元件响应快、在低湿下灵敏度高、没有“冲蚀”。p缺点：对污染敏感而影响精度、高湿时精度较差、工艺复杂、老化严重、稳定性较差。采用等离子法制作的元件，稳定

38、性有所提高，但尚待进一步在应用中考核。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 氧化铝薄膜湿敏湿度传感器p 多孔导电层A是用蒸发金 膜制成的对面电极，它能 使水蒸汽浸透氧化铝层；p B为湿敏部分；p C为绝缘层（高分子绝缘 膜）；p D为导线。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 钽电容敏感元件钽电容敏感元件p目目前前以以钽钽为为基基础础的的湿湿敏敏元元件件在在有有腐腐蚀蚀剂剂和和氧氧化化剂剂的的环环境境中中使使用用时时，都都不不能能保证长期稳定性。保证长期稳定性。p但但以以钽钽作作为为基基片片，利利用用阳阳极

39、极氧氧化化法法形形成成氧氧化化钽钽多多孔孔薄薄膜膜是是一一种种介介电电常常数数高高、电电特特性性和和化化学学特特性性较较稳稳定定的的薄薄膜膜。以以此此薄薄膜膜制制成成电电容容式式湿湿敏敏元元件件可可大大大大提提高元件的高元件的长期稳定性长期稳定性。p电容式湿敏元件就是采用氧化物为感湿材料的。电容式湿敏元件就是采用氧化物为感湿材料的。p制制作作工工艺艺：它它是是在在钽钽丝丝上上阳阳极极氧氧化化一一层层氧氧化化钽钽薄薄膜膜；膜膜上上还还有有一一层层含含防防水水剂剂的的二二氧氧化化锰锰层层，做做为为一一对对电电极极的的导导电电层层。考考虑虑到到对对油油烟烟、灰灰尘尘等等应应用用环环境的适应性，还装有

40、活性炭纸过滤器，使之适于测量腐蚀件气体的湿度。境的适应性，还装有活性炭纸过滤器，使之适于测量腐蚀件气体的湿度。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 五、有机物及高分子聚合物湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器1、胀缩性有机物湿敏元件2、高分子聚合物薄膜湿敏元件齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 1 1、胀缩性有机物湿敏元件、胀缩性有机物湿敏元件 利用有机纤维吸湿溶胀、脱湿收缩的特性，将导利用有机纤维吸湿溶胀、脱湿收缩的特性，将导电微粒或离子掺入其中作为导电材料，便可将环电微粒或离子掺入其中作为导电

41、材料，便可将环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。p这一类湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件等。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 碳湿敏元件p碳湿敏元件采用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素（HEC）。p工艺：羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，采用涂刷导银漆或真空镀金、化学淀积等方法，在基片两长边的边缘上形成金属电极，然后，再在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。p经老化、标定后即可使用。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学

42、 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 羟乙基纤维素碳湿敏感元件敏感功能结构羟乙基纤维素碳湿敏感元件敏感功能结构及感湿特性曲线及感湿特性曲线齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线的羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线的“隆起隆起”现象现象 这一现象的出现是由于混入 浸涂液中的离子性杂质所引 起的。实践证明，在干燥和超净条 件下制得的元件，曲线的 “隆起”现象就极其轻微。l 曲线B为在正常批量生产中元件的感湿特性曲线；l 曲线C是在高湿和离子污染较重的条件所得到元件的感湿特性曲线，“隆起”现象明

43、显。l 曲线A是理想的元件所应具有的感湿特性曲线；lA：理想lB：正常批量元件lC：高湿和离子污染较重的条件所得到元件齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 结露敏感元件结露敏感元件结构：结构：在印刷梳状电极的氧化铝基片上涂覆由新型在印刷梳状电极的氧化铝基片上涂覆由新型 树脂和碳粒组成的电阻式感湿膜构成湿敏电阻。树脂和碳粒组成的电阻式感湿膜构成湿敏电阻。感湿特点：感湿特点：灰尘和其它气体的表面污染对元件的感湿特性灰尘和其它气体的表面污染对元件的感湿特性 影响小；影响小；能检测并区别结露、水份等高湿状态；能检测并区别结露、水份等高湿状态；具有急剧的开关特

44、性，其工作点变动小；具有急剧的开关特性，其工作点变动小；导电无极化现象，可用直流电源设计测量电路导电无极化现象，可用直流电源设计测量电路齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 结露敏感元件主要技术特性结露敏感元件主要技术特性该元件被大量应用于检测磁带机、照像机结露及小汽车玻璃窗除露等。该元件被大量应用于检测磁带机、照像机结露及小汽车玻璃窗除露等。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 2 2、高分子聚合物薄膜湿敏元件、高分子聚合物薄膜湿敏元件利用高分子聚合物（利用高分子聚合物（r r=2-7=2-7）随环境湿度

45、的变化成）随环境湿度的变化成 比例地吸附和释放水分子（比例地吸附和释放水分子（r r=83=83）使其电介常数改变）使其电介常数改变 的特性，将其作为电介质制成感湿电容器，则其电容的特性，将其作为电介质制成感湿电容器，则其电容 量随环境湿度的变化而变化。量随环境湿度的变化而变化。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件 结构原理：结构原理：利用聚苯乙烯的亲水性，当环境湿度变化时吸湿或利用聚苯乙烯的亲水性，当环境湿度变化时吸湿或脱湿从而引起介电常数的改变特性，在玻璃基片上镀一层铝薄膜脱湿从而

46、引起介电常数的改变特性，在玻璃基片上镀一层铝薄膜作为下电极，用等离子聚合法在铝膜上镀一层（作为下电极，用等离子聚合法在铝膜上镀一层（0.05 m）聚苯乙）聚苯乙烯作为电容器的电介质（感湿材料），再在上面镀一层多孔金膜烯作为电容器的电介质（感湿材料），再在上面镀一层多孔金膜作为上电极，制作成湿敏电容。作为上电极，制作成湿敏电容。感湿特点：感湿特点：感湿范围宽，几乎覆盖全湿范围；感湿范围宽，几乎覆盖全湿范围；使用温度范围宽（使用温度范围宽（-40+150）；）；响应速度快（响应速度快（1s）；）；结构尺寸小；结构尺寸小；湿度温度系数小。湿度温度系数小。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感

47、器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 醋酸纤维有机膜湿敏元件醋酸纤维有机膜湿敏元件结构原理：结构原理：利用醋酸纤维吸湿或脱湿从而引起介电利用醋酸纤维吸湿或脱湿从而引起介电常数的改变特性，制作成平板湿敏电容器。常数的改变特性，制作成平板湿敏电容器。感湿特点：感湿特点：响应速度快（响应速度快（1s）；重复性好；工作温度范围：）；重复性好；工作温度范围：080；测湿范围宽（；测湿范围宽（0100%RH）；湿度温度系数）；湿度温度系数小（小（0.05%RH/）；测湿精度：）；测湿精度：（12）%RH。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 醋酸纤维有机膜湿敏元件

48、主要技术特性醋酸纤维有机膜湿敏元件主要技术特性 参 数型 号 测湿范围（RH）工作温度（）精度（RH）相应时间（s）温度系数（RH/）6061HM 0100-40+1501 2 1 0.05齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 聚酰亚胺湿度传感器结构聚酰亚胺湿度传感器结构齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 聚酰亚胺湿度变送电路聚酰亚胺湿度变送电路齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 聚酰亚胺湿度传感器湿度特性图 齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技

49、术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 聚酰亚胺湿度变送器输出特性曲线 齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 毛发湿度计毛发湿度计p 据说最初的毛发湿度计是达芬奇 (Leonard da Vinci)用羊毛或人的头发 制成。p 原理：当相对湿度由0%变为100%时，人 的头发伸长约2.5%，通过杠杆将这种伸 长进行放大，从而转动指针，读出湿度。齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 六六非水分子亲合力型湿度传感器非水分子亲合力型湿度传感器1 1 热敏电阻式湿度传感器热敏电阻式湿度传感器 利用潮湿空气与干燥空气的热传导

50、差异测定湿度，利用潮湿空气与干燥空气的热传导差异测定湿度，感湿功能材料是热敏电阻，其结构和测量电路如下感湿功能材料是热敏电阻，其结构和测量电路如下图所示。图所示。图图热敏电阻式湿度传感器热敏电阻式湿度传感器齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学 传感器技术及应用传感器技术及应用 苗凤娟主讲苗凤娟主讲 2 2 其他非水分子亲合力型湿度传感器其他非水分子亲合力型湿度传感器 微波湿度传感器：微波湿度传感器：利用微波在含水蒸汽的空气中传播时，微利用微波在含水蒸汽的空气中传播时，微波传输损耗能量与环境湿度有关的特性构成湿度传感器。波传输损耗能量与环境湿度有关的特性构成湿度传感器。红外湿度传感器：红外湿度传感器：利用水