ch12+湿敏传感器及其应用.ppt

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1、第12章 湿敏传感器及其应用1第第12章章湿敏传感器及其应用湿敏传感器及其应用第12章 湿敏传感器及其应用2湿湿度度是是指指大大气气中中的的水水蒸蒸气气含含量量,通通常常采采用用绝绝对对湿湿度度和和相相对对湿度两种表示方法。湿度两种表示方法。绝绝对对湿湿度度是是指指单单位位空空间间中中所所含含水水蒸蒸气气的的绝绝对对含含量量或或者者浓浓度或者密度度或者密度,一般用符号一般用符号AH表示。表示。相相对对湿湿度度是是指指被被测测气气体体中中蒸蒸气气压压和和该该气气体体在在相相同同温温度度下下饱饱和和水水蒸蒸气气压压的的百百分分比比,一一般般用用符符号号RH表表示示。相相对对湿湿度度给给出出大大气气

2、的的潮潮湿湿程程度度,它它是是一一个个无无量量纲纲的的量量,在在实实际际使使用用中中多多使使用用相对湿度这一概念。相对湿度这一概念。第12章 湿敏传感器及其应用312.1湿敏传感器概述湿敏传感器概述第12章 湿敏传感器及其应用4 一、湿度概念及其表示一、湿度概念及其表示湿度是指大气中的水蒸气含量.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、绝对湿度、相对湿度相对湿度和和露（霜）点湿度露（霜）点湿度。在一定温度和压力条件下在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体中所含水单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度：蒸气的质量为绝对湿度：mV：为待测混合气体中所含水蒸气的质量

3、；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 第12章 湿敏传感器及其应用5 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。所所谓谓相相对对湿湿度度是是指指气气体体的的绝绝对对湿湿度度（PV）与与同同一一温温度度下达到饱和状态的绝对湿度下达到饱和状态的绝对湿度PS的百分比的百分比,即满足如下关系: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。第12章 湿敏传感器及其应用6二、湿度传感器的主要参数 1.湿度量程 能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化 范 围 称 为

4、湿 度 量 程。湿 度 范 围 用 相 对 湿 度（0100）%RH表示。量程是湿度传感器工作性能的一项重要指标。量程是湿度传感器工作性能的一项重要指标。第12章 湿敏传感器及其应用7 2.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 每种湿度传感器都有其感感湿湿特特征征量量,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,简称感湿特性曲线感湿特性曲线。通通常常希希望望特特性性曲曲线线应应当当在在全全量量程程上上是是连连续续的的且且呈呈线线性关系。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

5、正正特特性性湿湿敏敏传传感感器器;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负特性湿敏传感器。第12章 湿敏传感器及其应用8 3.感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内,相相对对湿湿度度改改变变1%RH时时,湿湿度度传传感感器器感感湿湿特特征征量量的的变变化化值值或或百百分分率率称称为为感感湿湿灵灵敏敏度度,简简称灵敏度称灵敏度,又称湿度系数又称湿度系数。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。第12章 湿敏传感器及其应用9 4.

6、温度系数 温度系数是反反映映湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特征征量量-相相对对湿湿度度特特性性曲曲线线随随环环境境温温度度而而变变化化的的特特征征。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。温度系数分为特特征征量量温温度度系系数数和和感感湿湿温度系数温度系数。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,称为特特征征量量温温度系数度系数。如感湿特征量是电阻,则电阻温度系数为电阻温度系数（%/C）第12章 湿敏传感器及其应用10感湿温度系数（%RH/C）式中,T为一个温度(25C)与另一规定环境温度之差;H1为温度为25C时湿

7、度传感器的某一电阻值对应的相对湿度值;H2为另一规定环境温度下,湿度传感器的同一电阻值对应的另一相对湿度值。第12章 湿敏传感器及其应用11 5.响应时间 在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感感湿湿特特征征量量之之值值达达到到稳稳态态变变化化量量的的规规定定比比例例所所需需要的时间要的时间称为响应时间,也称为时间常数。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

8、为湿度传感器的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。第12章 湿敏传感器及其应用12 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。第12章 湿敏传感器及其应用13 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测试电压应采用交流电压。湿湿度度传传感感器器感感湿湿特特征征量量之之值值与与外外加加交交流流电电压压之之间间

9、的关系称为电压特性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。第12章 湿敏传感器及其应用14 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。第12章 湿敏传感器及其应用15 9.其它特性与参数 精精度度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度的相对误差。工工作作温温度度范范围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

10、度所决定。稳稳定定性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。寿寿命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。第12章 湿敏传感器及其应用16三、湿敏传感器分类湿敏传感器分类 湿敏传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的装置。能够用来制造湿度传感器的吸湿物质必须满足湿度湿度-电阻电阻（或电容）特性（或电容）特性可逆这一基本条件，同时应当具有良好的重复性。常用类型：机械式湿敏传感器及电子式湿敏传感器。电子式有电介质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等多种。机械式的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不够高，而机械式的主

11、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。统及仪器相联结。第12章 湿敏传感器及其应用17湿敏传感器水分子亲和力型湿敏传感器电阻式湿敏传感器陶瓷式湿敏传感器电容式湿敏传感器电解质湿敏传感器非水分子亲和力型湿敏传感器热敏电阻式湿敏传感器红外线式湿敏传感器微波式湿敏传感器超声波式湿敏传感器根据水分子易于吸附在固体湿敏元件表面并渗透到固体内部的特性可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型 第12章 湿敏传感器及其应用1812.2电解质湿敏传感器电解质湿敏传感器 第12章 湿敏传感器及其应用1

12、9 电解质湿敏传感器的湿敏元件主要包括潮解性盐元件、非溶性盐薄膜元件和采用离子交换树脂元件，即包括无机电解质和高分子电解质湿敏传感器两大类。第12章 湿敏传感器及其应用20 氯化锂是离子晶体。溶液中离子导电能力与溶液浓度有关。溶液的电导率随着溶液浓度的增高而下降。溶液的电导率随着溶液浓度的增高而下降。当溶液置于一定温湿场中,若环境相对湿度高,溶液将吸收水分，使浓度降低,因此,其溶液电导率增高，阻值下降。反之,环境相对湿度变低时,则溶液浓度升高,其电导率下降,阻值升高。从而实现对湿度的测量。一般氯化锂湿敏电阻呈负阻特性。1、氯化锂电解质湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子导电率发

13、生变化制成的测湿元件。由引线、基片、感湿层与电极组成。第12章 湿敏传感器及其应用212、高分子电解质湿敏传感器高分子电解质湿敏传感器 利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的。虽然这类元件的感湿膜是高分子聚合物，但是真正起到吸湿导电作用的敏感物质是电解质。第12章 湿敏传感器及其应用22 当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间凝聚呈液态水状态。在低湿吸附量少的情况下，由于没有电离子产生，电阻值很高；当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用高分子电解质的

14、成对离子主要起载流子作用。此外，。此外，由吸附由吸附水自身离解出来的质子（水自身离解出来的质子（H+）及水和氢离子（）及水和氢离子（H3O+）也起）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，传感器的传感器的电阻急剧下降。电阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。第12章 湿敏传感器及其应用2312.4半导体湿度传感器半导体湿度传感器第12章 湿敏传感器及其应用241.元素半导体湿敏器件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元素素半半导导体体

15、薄薄膜膜,可形成湿敏电阻器。湿湿敏敏传传感感器器就就是是利利用用上上述述湿湿敏敏电电阻阻器器的的电电阻阻值值随随湿湿气气的的吸吸附附与与脱脱附附过过程程而而变化的现象制成的变化的现象制成的。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重复性差。第12章 湿敏传感器及其应用25 利用金金属属硒硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。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

16、它也有和锗膜湿敏器件同样的需要较长老化时间的缺点。第12章 湿敏传感器及其应用26 2.金属氧化物半导体金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件 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,逐渐被人们所重视,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。在对湿度的测量方面,半导体陶瓷湿敏器件可以检检测测1%RH这样的低湿状态这样的低湿状态,而且还具有响应快、精度高、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

17、生产和应用中占有很重要的地位。第12章 湿敏传感器及其应用27 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陶瓷瓷,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烧结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多孔孔状状的的多多晶晶烧烧结结体体。因此,有时也将它们称为烧结型陶瓷材料烧结型陶瓷材料。第12章 湿敏传感器及其应用2812.5湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用 湿敏

18、传感器广泛应用于军事、气象、工业、农业、医疗、建筑以及家用电器等场合的湿度检测、控制与报警 第12章 湿敏传感器及其应用29应用领域使用设备使用温度、湿度范围备注温度湿度%RH家用电器空调机器干燥机电子炊具VTR5405805100-5604070010210060100空调、烘干机、食品加热、烹调控制、防止结露汽车散热器-208050100防止结露医疗治疗器保健设备103010308010050-80呼吸器系统、空调工业纤维干燥器粉体水分干燥食品电子部件生产1030301005100501005405100050050050050制丝、窑业木材干燥、窑业原料、磁头、LSI、IC农林畜牧房屋空

19、调茶田防霜养殖540-10602025010051004070空调、防止结露、健康管理测量恒温恒湿槽无线气候监测5100-504001000100精密测量、气象测量第12章 湿敏传感器及其应用301、直读式湿度计 图中RH为氯化锂湿敏传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为2501000Hz。电桥的输出经变压器T2，3耦合到VT3，经VT3放大后的信号，经VD1VD4桥式整流后，输入给微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。第12章 湿敏传感器及其应用312、微波炉湿度检测控制系统 第12章 湿敏传感器及其应用323、汽车玻璃挡板结露控制电路 RL：加热丝；RH：结露传感器。T1、T2构成施密特触发电路。低湿度：调整R1和R2使T1导通、T2截止，J触点释放；当湿度增大到80%RH以上时：RH值下降，T1截止T2导通，J通电，常开点接通Ec，加热挡风玻璃中的加热丝，驱散湿气，避免挡风玻璃结露。第12章 湿敏传感器及其应用334、粮仓湿度控制器 第12章 湿敏传感器及其应用34小结：小结：湿敏传感器的概念、分类湿敏传感器的概念、分类常见湿敏传感器的结构及基本原理常见湿敏传感器的结构及基本原理常见湿敏传感器的典型应用案例分析常见湿敏传感器的典型应用案例分析