传感器课件第六章.pptx

《传感器课件第六章.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器课件第六章.pptx（86页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、6 6.1 1 概概 述述 湿湿度度传传感感器器6 6.2 2 电电阻阻式式湿湿度度传传感感器器 6 6.3 3 电电容容式式湿湿度度传传感感器器 6 6.4 4 其其它它类类型型湿湿度度传传感感器器 6 6.5 5 湿湿度度传传感感器器的的应应用用实实例例 第1页/共86页湿度表示法湿度表示法 湿度传感器的分类湿度传感器的分类 第2页/共86页一、绝对湿度和相对湿度一、绝对湿度和相对湿度 空气的绝对湿度（空气的绝对湿度（v v）-单位体积内空气里所含水蒸气的质量。单位体积内空气里所含水蒸气的质量。如待测空气是由水蒸气和干燥空气组成的理想混合气体，得出：如待测空气是由水蒸气和干燥空气组成的理想

2、混合气体，得出：v v =e M/RT =e M/RT e e 为一定温度下空气中水蒸气的分压，为一定温度下空气中水蒸气的分压，M M为水蒸气的摩尔质量，为水蒸气的摩尔质量，R R为理想气体常数为理想气体常数饱和蒸气压饱和蒸气压（e eS S）-指一定温度下混合气体中所含水蒸气压的最大值指一定温度下混合气体中所含水蒸气压的最大值 温度越高，饱和水蒸气压越大。温度越高，饱和水蒸气压越大。相对湿度（相对湿度（Relative HumidityRelative Humidity）-指指某一温度下水蒸气压同饱和蒸气压的百分某一温度下水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，为比，为:RH=e/eRH=e/eS S

3、100%100%一般用一般用%RH%RH 表示表示第3页/共86页二、露（霜）点二、露（霜）点 其相对湿度为其相对湿度为100%RH100%RH，-如这一特定温度低于如这一特定温度低于00，水蒸气，水蒸气将会结霜，可称为将会结霜，可称为霜点温度霜点温度，统称为，统称为露点露点。空气中空气中水蒸气压越小水蒸气压越小，露点越低露点越低，可，可用露点表示空气湿度的大小。用露点表示空气湿度的大小。露点与相对湿度有对应关系如图露点与相对湿度有对应关系如图:温度温度-相对湿度相对湿度-露点的对应关系露点的对应关系 -随环境温度降低，水的es逐渐下降，其e与同温度下的es差值就越小。当下降到某一温度时，e=

4、es 相等，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结为露珠，这一特定的温度被称为空气的露点温度。第4页/共86页湿度表示法湿度表示法 湿度传感器的分类湿度传感器的分类 第5页/共86页一、电阻式湿度传感器一、电阻式湿度传感器-利用电导率与湿度的关系制成利用电导率与湿度的关系制成。材料种类：材料种类：1.1.多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料的种类最多，有：的种类最多，有：TiOTiO2 2-SnO-SnO2 2系、系、TiOTiO2 2-V-V2 2O O5 5 系、系、BaTiOBaTiO3 3-SrTiO-SrTiO3 3系、系、TiOTiO2 2系、系、MgCrxOMgCrxO4 4-TiO-TiO2 2

5、系、系、SrTiOSrTiO3 3系、系、LaLa2 2O O3 3-TiO-TiO2 2-V-V2 2O O5 5系、系、ZrOZrO2 2-Y-Y2 2O O3 3系等。系等。2.2.高分子电阻型高分子电阻型的主要材料的主要材料:高分子固体电解质材料，高分子固体电解质材料，如高氯酸锂如高氯酸锂-聚氯化乙烯、聚氯化乙烯、NafionNafion膜、双二甲胺基甲基乙膜、双二甲胺基甲基乙烯基硅烷和溴甲烷的季铵化物共聚物、四乙基硅烷的等离子烯基硅烷和溴甲烷的季铵化物共聚物、四乙基硅烷的等离子共聚膜等等。共聚膜等等。优点优点:具有感湿灵敏度高、线性度好、响应时间短、工艺简具有感湿灵敏度高、线性度好、

6、响应时间短、工艺简单、成本低等。单、成本低等。第6页/共86页二、电容式湿度传感器二、电容式湿度传感器-利用利用电极间介质吸附水蒸气电极间介质吸附水蒸气时时电容量电容量发生变化制发生变化制成成按照极间介质按照极间介质分为：分为：有机高分子有机高分子和和陶瓷材料陶瓷材料两大类。两大类。1.1.有机高分子电容式：醋酸纤维素及衍生物为介质，有机高分子电容式：醋酸纤维素及衍生物为介质，目前醋酸丁酸纤维素、聚酰亚胺、硅树脂为介质。目前醋酸丁酸纤维素、聚酰亚胺、硅树脂为介质。2.2.陶瓷电容式：用玻璃和陶瓷如陶瓷电容式：用玻璃和陶瓷如BaTiOBaTiO3 3-BaSnO-BaSnO2 2 P P型半型半

7、导体多孔陶瓷材料作介质，导体多孔陶瓷材料作介质，通过控制陶瓷组分的分散性、孔径、粒度等，改善了通过控制陶瓷组分的分散性、孔径、粒度等，改善了组件的敏感特性。组件的敏感特性。第7页/共86页三、其它类型湿度传感器 新型湿度传感器有：新型湿度传感器有：1.1.透光量随湿度而改变的透光量随湿度而改变的光纤湿度传感器、光纤湿度传感器、2.2.在在H H2 2O-NO-N2 2气氛下气氛下稳定化稳定化ZrOZrO2 2限界电流型湿度传感器限界电流型湿度传感器3.3.浓差电池式、浓差电池式、4.4.二极管型、二极管型、5.5.石英振子式、石英振子式、6.SAW6.SAW式、式、7.7.微波式、微波式、8.

8、8.热导式等。热导式等。第8页/共86页6 6.1 1 概概 述述 湿湿度度传传感感器器6 6.2 2 电电阻阻式式湿湿度度传传感感器器 6 6.3 3 电电容容式式湿湿度度传传感感器器 6 6.4 4 其其它它类类型型湿湿度度传传感感器器 6 6.5 5 湿湿度度传传感感器器的的应应用用实实例例 第9页/共86页陶瓷电阻式湿度传感器陶瓷电阻式湿度传感器 热敏电阻绝对湿度传感器热敏电阻绝对湿度传感器 高分子电阻式湿度传感器高分子电阻式湿度传感器 第10页/共86页一、一、TiOTiO2 2SnOSnO2 2系复合氧化物半导体陶瓷湿度传感器系复合氧化物半导体陶瓷湿度传感器 多为厚膜组件多为厚膜组

9、件 制备方法制备方法:TiOTiO2 2可采用可采用TiTi的热氟化法或的热氟化法或TiClTiCl4 4还原性制作，还原性制作，由于非化学量而由于非化学量而存在氧缺陷存在氧缺陷（表示表示TiOTiO2-x2-x）。将。将TiOTiO2 2、SnOSnO2 2按一定摩尔比配料，掺入适量的按一定摩尔比配料，掺入适量的TaTa2 2O O5 5或或SbSb2 2O O5 5、V V2 2O O5 5等，经研磨细化、加水悬浮、过滤使氧化物颗粒逐渐沉淀等，经研磨细化、加水悬浮、过滤使氧化物颗粒逐渐沉淀到绝缘陶瓷衬底上，烘干后加热至到绝缘陶瓷衬底上，烘干后加热至95095012001200在缺氧气氛中烧

10、结。在缺氧气氛中烧结。制作的制作的TiOTiO2 2湿敏材料为金红石结构的湿敏材料为金红石结构的n n型半导体多孔陶瓷型半导体多孔陶瓷，随着，随着TaTa2 2O O5 5、SbSb2 2O O5 5的增加电阻下降，调整的增加电阻下降，调整TiOTiO2 2、SnOSnO2 2的配比和杂质的量来控制湿阻特性。的配比和杂质的量来控制湿阻特性。组件中毒后可加热清洗来恢复。组件中毒后可加热清洗来恢复。特点：特点：具有气敏性能，可制成多功能传感器。具有气敏性能，可制成多功能传感器。具有灵敏度高、响应快、稳定性好、工艺过程容易实现等。具有灵敏度高、响应快、稳定性好、工艺过程容易实现等。第11页/共86页

11、二、二、TiOTiO2 2系陶瓷湿敏元件系陶瓷湿敏元件 水分子吸附在水分子吸附在n n型型TiOTiO2 2表面表面会引起会引起表面空间电荷区内空穴浓度增加，电阻表面空间电荷区内空穴浓度增加，电阻率下降，率下降，随湿度增加而显著下降随湿度增加而显著下降。TiOTiO2 2湿敏元件的湿滞特性如图，湿敏元件的湿滞特性如图，显然，湿滞现象可忽略不计，响应速度显然，湿滞现象可忽略不计，响应速度快。快。TiOTiO2 2湿敏组件的湿滞曲线湿敏组件的湿滞曲线及湿敏特性及湿敏特性 第12页/共86页 工艺：工艺：用典型陶瓷工艺在用典型陶瓷工艺在1000100013501350烧烧结后自然冷却，用结后自然冷却

12、，用RuORuO2 2或或AgAg制作电极。制作电极。其中其中V V2 2O O5 5添加剂使材料半导化，添加剂使材料半导化，V V5+5+取代取代TiTi4+4+改变微孔参数和形状使电导增大。改变微孔参数和形状使电导增大。湿度特性：湿度特性：测试的湿度环境用过饱和盐溶测试的湿度环境用过饱和盐溶液在液在11%11%98%RH98%RH间进行。如图。间进行。如图。为避免为避免直流极化直流极化的影响，采用交流法的影响，采用交流法测量，电压为测量，电压为8V8V，频率为，频率为150Hz150Hz。优点优点：具有成本低、湿度量程宽、灵敏度：具有成本低、湿度量程宽、灵敏度高、响应时间短、耐热性能好等，

13、高、响应时间短、耐热性能好等，TiOTiO2 2VV2 2O O5 5组件的阻组件的阻-湿曲线湿曲线 三、三、TiOTiO2 2VV2 2O O5 5湿敏元件湿敏元件第13页/共86页四、四、BaTiOBaTiO3 3SrTiOSrTiO3 3系多功能陶瓷材料湿度系多功能陶瓷材料湿度温度传感器温度传感器 多功能传感器多功能传感器-能检测两种或以上物理或化学参量且互不干扰的。能检测两种或以上物理或化学参量且互不干扰的。原理：原理：利用利用BaTiOBaTiO3 3SrTiOSrTiO3 3多孔陶瓷多孔陶瓷的的随周围湿度变化随周围湿度变化、随环境随环境T T变化变化来制来制备湿度备湿度温度传感器，

14、温度传感器，测量速度快、灵敏度高。测量速度快、灵敏度高。五、五、MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2系湿敏元件系湿敏元件 MgCr MgCr2 2O O4 4陶瓷特点：抗腐蚀性好、多孔质结构，响应快、湿滞小，且能通过加热陶瓷特点：抗腐蚀性好、多孔质结构，响应快、湿滞小，且能通过加热清洗附着的油污或在低温下不可逆的水化物反应，是一种较优良的清洗附着的油污或在低温下不可逆的水化物反应，是一种较优良的湿敏材料湿敏材料。工艺：工艺：MgCrMgCr2 2O O4 4、TiOTiO2 2按适当的配比经陶瓷工艺按适当的配比经陶瓷工艺1250125013001300烧结成半导体陶瓷烧结成半导

15、体陶瓷，涂，涂敷金浆后将镍引线用掺金的玻璃粉粘住，敷金浆后将镍引线用掺金的玻璃粉粘住，850850下烧结成敏感芯，配上加热器即可。下烧结成敏感芯，配上加热器即可。使用时，加热清洗半分钟至使用时，加热清洗半分钟至1 1分钟（分钟（350-450350-450下）。下）。第14页/共86页 国产国产SM-1SM-1型和日本的松下型和日本的松下型型MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2湿度传感器的感湿特性为湿度传感器的感湿特性为线性的线性的如图。如图。相对湿度从相对湿度从1%RH1%RH100%RH100%RH的范围内，的范围内，电阻为电阻为10104 410108 8。感湿特性：感湿

16、特性：而而MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2半导体陶瓷的电阻率随半导体陶瓷的电阻率随T T的升高而指数下降的升高而指数下降，即：，即：=0 0e eB/TB/T 0 0为起始电阻率，为起始电阻率，B B是与材料有关的常数。是与材料有关的常数。实验表明，实验表明，MgCrMgCr2 2O O4 4和和TiOTiO2 2的摩尔百分比为的摩尔百分比为50%50%时，时，T T最小。最小。第15页/共86页六、六、SrTiOSrTiO3 3电子型湿度传感器电子型湿度传感器 -用钙钛矿型氧化物（用钙钛矿型氧化物（ABOABO3 3）研制的。用）研制的。用A A位碱土金属位碱土金属锶锶离

17、子较强的亲水性离子较强的亲水性的湿敏材料如的湿敏材料如SrTiOSrTiO3 3，高温（，高温（300300）下有一定的湿敏性能；）下有一定的湿敏性能；对对SrTiOSrTiO3 3非替代的钙钛矿型氧化物，虽对湿度有敏感性，但其电阻率太大，非替代的钙钛矿型氧化物，虽对湿度有敏感性，但其电阻率太大，没有多少实际使用价值。没有多少实际使用价值。七、七、陶瓷湿度传感器的应用陶瓷湿度传感器的应用 由于湿敏电阻随温度由于湿敏电阻随温度T T变化，具有负温度系数，关系为：变化，具有负温度系数，关系为：RT0为T0时电阻值，B为常数 为消除温度影响，与同温度系数的为消除温度影响，与同温度系数的R RT T串

18、联，串联，取出分压。因取出分压。因直流供电直流供电利于提高精度便利于提高精度便于数字化，于数字化，但存在静电容影响，使传感器特性不佳；但存在静电容影响，使传感器特性不佳；应考虑应考虑交流或脉冲电源供电交流或脉冲电源供电。第16页/共86页 为使检测湿度的为使检测湿度的灵敏度最大灵敏度最大应使应使R RT T=R=RH H，其电压经跟随器、整流、滤波再与比，其电压经跟随器、整流、滤波再与比较器较器1 1的参考的参考U U1 1比较以控制某一湿度。与比较器比较以控制某一湿度。与比较器2 2的参考的参考U U2 2比较控制加热电路，以比较控制加热电路，以便按一定时间加热清洗。便按一定时间加热清洗。若

19、要若要全湿度检测全湿度检测，应使应使R RT T和和R RH H的连接位置互换的连接位置互换，且且RRRRT T，此时信号电压，此时信号电压U U经经过对数放大器后输出与湿度成线性关系。过对数放大器后输出与湿度成线性关系。测量控制电路图测量控制电路图第17页/共86页陶瓷电阻式湿度传感器陶瓷电阻式湿度传感器 热敏电阻绝对湿度传感器热敏电阻绝对湿度传感器 高分子电阻式湿度传感器高分子电阻式湿度传感器 相对湿度（相对湿度（RHRH）受温度影响较大，一个有限空间内因空气受温度影响较大，一个有限空间内因空气的热传导率低的热传导率低温度分布不均，室内湿度会产生较大的误差温度分布不均，室内湿度会产生较大的

20、误差；绝对湿度（绝对湿度（vv）随温度变化不大，不受水蒸气分布的影随温度变化不大，不受水蒸气分布的影响，响，测量比较准确。测量比较准确。第18页/共86页-由两个热敏电阻构成，各自加热到约由两个热敏电阻构成，各自加热到约170170200200，其中，其中一个封入干燥空气成为补偿组件一个封入干燥空气成为补偿组件R R2 2，另一个开放型作为感湿，另一个开放型作为感湿组件组件RHRH，构成电桥构成电桥(如图如图)：原理：原理：由于水蒸气的热传导率由于水蒸气的热传导率比空气的大，比空气的大，空气的热传导率空气的热传导率随湿度变化随湿度变化,使感湿元件阻抗使感湿元件阻抗变化。桥路随阻抗变化输出与绝对

21、湿度基本成正比。变化。桥路随阻抗变化输出与绝对湿度基本成正比。芝浦电子所芝浦电子所CNS1CNS1型绝对型绝对 湿度输出特性图湿度输出特性图 热敏电阻绝对湿度传感器第19页/共86页图中：图中：R RH H为开放型热敏电阻（感湿组件）为开放型热敏电阻（感湿组件），R R2 2为密封型热敏电阻（补偿组件）为密封型热敏电阻（补偿组件），R R3 3和和R R4 4为温度系数很小的电阻为温度系数很小的电阻。AD522AD522是是单芯片集成精密测量放大器。管脚单芯片集成精密测量放大器。管脚1.31.3接输出，接输出，4 4、6 6接接10k10k电位器调零点，电位器调零点，其滑动端接负电源。其滑动端

22、接负电源。2 2和和1414端连调整放大倍数；端连调整放大倍数；1313端为数据屏蔽网以减少外电场对端为数据屏蔽网以减少外电场对输入信号的干扰，参考端输入信号的干扰，参考端1111接地。接地。实用绝对湿度计原理图实用绝对湿度计原理图 第20页/共86页放大倍数放大倍数G G：当共模抑制比当共模抑制比CMRR1CMRR1时时，则有：则有：响应时间响应时间约约1212至至1313秒。秒。使用时使用时需等需等加热稳定加热稳定使测量结果准确。使测量结果准确。HS5HS5型由两个热敏电阻对构成，可与电桥组装在一块印刷电型由两个热敏电阻对构成，可与电桥组装在一块印刷电路板上。路板上。CHS-2CHS-2传

23、感部直接由输出电压读取绝对湿度。传感部直接由输出电压读取绝对湿度。输入电压输入电压V VININ=V=V1 1-V-V2 2 第21页/共86页陶瓷电阻式湿度传感器陶瓷电阻式湿度传感器 热敏电阻绝对湿度传感器热敏电阻绝对湿度传感器 高分子电阻式湿度传感器高分子电阻式湿度传感器 第22页/共86页一、高分子结构效应型湿度传感器一、高分子结构效应型湿度传感器 1.1.感湿电阻膜：感湿电阻膜：由含有强极性基的高分子电解质由含有强极性基的高分子电解质及其及其盐类盐类如如NHNH4 4+ClCl-、SOSO3 3-H H+、NHNH2 2等等高分子材料高分子材料制成制成。2.工作原理：利用高分子电解质在

24、利用高分子电解质在不同湿度下电离不同湿度下电离产生不产生不同数量的导电离子使阻值变化，测定环境中的湿度。同数量的导电离子使阻值变化，测定环境中的湿度。低湿吸附下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高。低湿吸附下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高。相对湿度增加时相对湿度增加时，凝聚化的，凝聚化的吸附水吸附水成为导电通道，成为导电通道，高高分子分子电解质的成对离子起载流子作用，吸附水自身离解的电解质的成对离子起载流子作用，吸附水自身离解的质子（质子（H H+）、水和氢离子（）、水和氢离子（H H3 3O O+）也起载流子作用，使电阻）也起载流子作用，使电阻急剧下降。急剧下降。第23页/共86页3 3元

25、件结构与应用元件结构与应用 元件结构图元件结构图：感湿膜感湿膜-由由PVAPVA（聚乙烯醇）（聚乙烯醇）和和PSSPSS（聚苯乙烯磺酸铵）组成。（聚苯乙烯磺酸铵）组成。基片基片-厚厚 0.6mm0.6mm氧化铅，氧化铅，电极电极-Au-Au做成叉指型。做成叉指型。利用导电性高分子对水蒸汽的物理吸附引起利用导电性高分子对水蒸汽的物理吸附引起电导率变化；电导率变化；感湿膜湿度特性曲线图感湿膜湿度特性曲线图：存在温度影响，故需温度补偿。存在温度影响，故需温度补偿。优点：测量湿度范围大，工作温度在优点：测量湿度范围大，工作温度在0 05050，响应时间短（，响应时间短（30 s30 s）。）。第24页

26、/共86页为防直流电压时产生极化，用为防直流电压时产生极化，用505060Hz60Hz交流电源供电，交流电源供电，温度补偿的热敏电阻与湿敏电阻匹配，温度补偿的热敏电阻与湿敏电阻匹配，组件外组件外用发泡体聚丙烯包封构成过滤器用发泡体聚丙烯包封构成过滤器以防止灰尘、水和油等直接与感湿膜接触。以防止灰尘、水和油等直接与感湿膜接触。湿度检测控制系统方块图湿度检测控制系统方块图 第25页/共86页二、高分子胀缩型结露传感器二、高分子胀缩型结露传感器 1.1.结露传感器的结构 氧化铝基板氧化铝基板上制作上制作梳状电极梳状电极，覆盖一层，覆盖一层具有胀缩物粘合剂的聚合物具有胀缩物粘合剂的聚合物感湿性高分子感

27、湿性高分子为主体、为主体、掺入导电性微粉掺入导电性微粉的的感湿膜感湿膜，它吸湿后产生体积变化。，它吸湿后产生体积变化。通过改变感湿功能聚合物与三维化学材料的比率，调整灵敏度、耐湿性、稳定性通过改变感湿功能聚合物与三维化学材料的比率，调整灵敏度、耐湿性、稳定性及阻值。及阻值。第26页/共86页2 2、原理：、原理：感湿膜的电阻与湿度感湿膜的电阻与湿度m m变化规律为：变化规律为：R RH H为感湿膜的体电阻，为感湿膜的体电阻，C C为导电微粉浓度，为导电微粉浓度，a a为由树脂、导电微粉决定的系数为由树脂、导电微粉决定的系数 在低湿时在低湿时，感湿膜吸附水分较少，亲水性树脂处于收缩状态，导电微粉

28、浓度相，感湿膜吸附水分较少，亲水性树脂处于收缩状态，导电微粉浓度相对较高，微粉间距较小，阻值较低。对较高，微粉间距较小，阻值较低。湿度增加湿度增加，膜吸收水分增多，微粉间距增大，阻值相应增加。，膜吸收水分增多，微粉间距增大，阻值相应增加。高湿区出现结露现象时高湿区出现结露现象时，亲水性树脂吸湿量大大增加，感湿膜急剧膨胀，微粉，亲水性树脂吸湿量大大增加，感湿膜急剧膨胀，微粉浓度迅速下降，微粉构成的导电链越过浓度迅速下降，微粉构成的导电链越过“临界状态临界状态”,微粉间连接极弱，阻值急微粉间连接极弱，阻值急剧增大，在结露点附近产生了电阻的开关型变化。剧增大，在结露点附近产生了电阻的开关型变化。第2

29、7页/共86页3.HDP3.HDP型结露传感器的特性型结露传感器的特性 湿度湿度-阻值特性曲线：阻值特性曲线：结露时阻值可骤增结露时阻值可骤增2 23 3个数量级，开关特性优异。个数量级，开关特性优异。响应时间响应时间温度关系：由于体积小，感湿膜很薄，响应速度很快，常湿下仅为温度关系：由于体积小，感湿膜很薄，响应速度很快，常湿下仅为1 12s2s。使用电压为使用电压为5.5VDC5.5VDC，远高于其它品种（，远高于其它品种（0.8V0.8V），），可在其它高分子湿敏组件难以突破的高湿领域使用可在其它高分子湿敏组件难以突破的高湿领域使用，且长期稳定且长期稳定。第28页/共86页4.4.结露传感

30、器的应用结露传感器的应用 测量电路：测量电路：把结露组件安装到需检测的附近，把结露组件安装到需检测的附近，当出现结露时当出现结露时机器自动进入强制停机器自动进入强制停机状态。机状态。如磁带录像机因结露而附着水珠如磁带录像机因结露而附着水珠，磁带和移动机构间的摩擦力发生变化，使磁带，磁带和移动机构间的摩擦力发生变化，使磁带的走速不稳定，磁鼓和磁头的磁粉会受到损坏。的走速不稳定，磁鼓和磁头的磁粉会受到损坏。可用于可用于检测和防止摄像机和检测和防止摄像机和VCDVCD结露、轿车风挡和陈列窗玻璃结雾、复印机和建筑结露、轿车风挡和陈列窗玻璃结雾、复印机和建筑材料结露、高压配电柜结露等等。材料结露、高压配

31、电柜结露等等。第29页/共86页湿湿度度传传感感器器6 6.3 3 电电容容式式湿湿度度传传感感器器 多孔多孔AlAl2 2O O3 3陶瓷电容式湿度传感器陶瓷电容式湿度传感器 高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器 集成电容式湿度传感器集成电容式湿度传感器 第30页/共86页一、一、多孔多孔湿敏电容模型湿敏电容模型 基于单元气孔基于单元气孔的平行板电容器效应，的平行板电容器效应，结合结合理想结构模型、吸附模型，理想结构模型、吸附模型，建立建立不同湿度下的湿敏电容模型。不同湿度下的湿敏电容模型。在建模时，在建模时，忽略忽略气孔底与下面金属间的气孔底与下面金属间的电容电容、水吸附产生两相界

32、、水吸附产生两相界面面电容电容，及毛细管凝聚的，及毛细管凝聚的修正修正。该模型只能定性分析一些湿敏现象。该模型只能定性分析一些湿敏现象。第31页/共86页1.1.无湿度条件下的湿敏电容无湿度条件下的湿敏电容 湿度为湿度为0 0时，湿敏电容模型理想结构示意图：时，湿敏电容模型理想结构示意图：(a)(a)低湿度单层吸附示意图低湿度单层吸附示意图 (b)(b)高湿度多层吸附示意图高湿度多层吸附示意图 r r0 0为孔的半径；为孔的半径；d d为薄膜的厚度；为薄膜的厚度；d为水的有效厚度，C1为固态Al2O3介质电容，C0为无湿度时细孔的电容值。S2为有效物理吸附极板面积，a为水的单分子吸附层厚度约为

33、3.0埃第32页/共86页器件的电容为：器件的电容为：C C=C C1 1+C C0 0 表示为：表示为：1为Al2O3介质的介电常数约为8.6；0为空气介质电常数约为1。M为孔的个数；第33页/共86页2.2.低湿度条件下的湿敏电容低湿度条件下的湿敏电容 在低湿度范围内在低湿度范围内，随湿度的增加开始，随湿度的增加开始笫一物理吸附层笫一物理吸附层，湿度达湿度达40%40%时笫一物理吸时笫一物理吸附层接近完成附层接近完成，形成一层连续的水膜。，形成一层连续的水膜。在低湿度水蒸汽吸附属单分子吸附。在低湿度水蒸汽吸附属单分子吸附。LangmuirLangmuir单分子吸附方程知，单分子吸附方程知，

34、表面覆盖度表面覆盖度N/NN/N与水蒸汽的相对蒸气压与水蒸汽的相对蒸气压p pv v的关的关系为：系为：b b为温度为温度T T的函数常数的函数常数 在压力甚低时在压力甚低时，分母中的，分母中的bpbpv v相对于相对于1 1可忽略，可忽略，与与p pv v成正比；成正比；压力增到一定值时压力增到一定值时（多孔（多孔AlAl2 2O O3 3膜的相对湿度为膜的相对湿度为40%40%时），时），1 1相对于相对于bpbpv v可忽略，可忽略，达到饱和值。达到饱和值。第34页/共86页 低湿度下器件的电容为：低湿度下器件的电容为：设孔底和孔壁的第一物理吸附层同时完成覆盖，单孔湿设孔底和孔壁的第一物

35、理吸附层同时完成覆盖，单孔湿敏电容模型低湿度单层吸附敏电容模型低湿度单层吸附 S2为有效物理吸附极板面积，S S3 3为无水区极板面积，为无水区极板面积，S S4 4为单分子吸附层对应极为单分子吸附层对应极板面积，板面积，为水的相对介电常数约为为水的相对介电常数约为8080；a a为水的单分子吸附层厚度约为为水的单分子吸附层厚度约为3.03.0埃。埃。因因0 0，rr0 0（几百埃）（几百埃）dd（几个（几个mm），简化为：），简化为：在低湿度的条件下，在低湿度的条件下，电容是与相对湿度（电容是与相对湿度（相相=p=pv v/p/pw w100%RH100%RH）成正比变化）成正比变化第35页

36、/共86页3.3.高湿度条件下的湿敏电容高湿度条件下的湿敏电容 在高湿度内，会形成多层物理吸附层。在高湿度内，会形成多层物理吸附层。V Vm m为饱和吸附分子的体积，为饱和吸附分子的体积，H H为为T T的函数常数的函数常数n n为最大的吸附层数，为最大的吸附层数，x x为相对湿度为相对湿度 高湿下湿敏电容模型（单孔）器件的电容为：高湿下湿敏电容模型（单孔）器件的电容为：d dx x为水分子吸为水分子吸附层的厚度附层的厚度 高湿范围内，电容与吸附分子体积高湿范围内，电容与吸附分子体积V V成正比，成正比，与相对湿度与相对湿度x x之间关系是非线性的。之间关系是非线性的。第36页/共86页二、电

37、容湿敏感湿特性二、电容湿敏感湿特性 当当AlAl2 2O O3 3气孔中有一定水汽吸附时气孔中有一定水汽吸附时，其，其电特性既不是一个纯等效电阻，也不电特性既不是一个纯等效电阻，也不是一个纯等效电容，湿度变化膜电阻是一个纯等效电容，湿度变化膜电阻和膜电容都将改变。和膜电容都将改变。图，图，对于电容对于电容相对湿度特性相对湿度特性的模型的模型分析与实际测量曲线有着非常好的吻分析与实际测量曲线有着非常好的吻合。合。湿度增加电容值增加。湿度增加电容值增加。多孔多孔AlAl2 2O O3 3湿敏组件的电容湿敏组件的电容-湿度曲线湿度曲线 低湿度范围低湿度范围有好的线性，有好的线性，高湿范围高湿范围线性

38、变差，线性变差，湿度进一步提高湿度进一步提高曲线渐变平缓。曲线渐变平缓。随着孔的个数随着孔的个数M M的增加，电容值是增大的。的增加，电容值是增大的。第37页/共86页一、工作原理一、工作原理 电极间高分子感湿材料电极间高分子感湿材料吸附水分子吸附水分子时时变化变化，其电容量其电容量其中其中 r r为为0%RH0%RH时高分子介电常数时高分子介电常数,a,a、b b为常数，为常数，W Wu u 为为U%RHU%RH时高分子单时高分子单位质量所吸附水分子质量，位质量所吸附水分子质量，H H2 2O O为高分子中吸附水的介电常数。为高分子中吸附水的介电常数。0 0为真空介电常数；为真空介电常数；u

39、 u为相对湿度为相对湿度U%RHU%RH时高分子的介电常数；时高分子的介电常数；S S为电极的有效电极面积；为电极的有效电极面积；d d为高分子感湿膜厚。为高分子感湿膜厚。高分子电容式湿度传感器 C与环境中水蒸汽相对压（P/P0）正比第38页/共86页 另外，交联剂可封闭多余的吸水基，形成微孔结构，控制微孔尺寸以阻止吸附水另外，交联剂可封闭多余的吸水基，形成微孔结构，控制微孔尺寸以阻止吸附水分子之间的相互作用。分子之间的相互作用。二、感湿电容及其特性二、感湿电容及其特性 高分子感湿材料设计高分子感湿材料设计应符合：应符合：1.1.灵敏度随相对湿度变化灵敏度随相对湿度变化呈线性呈线性，湿滞要小，

40、温度系数小，输出不受其它气体影，湿滞要小，温度系数小，输出不受其它气体影响。响。2.2.吸附量小且为物理吸附时，吸附水分子的量与平衡相对压吸附量小且为物理吸附时，吸附水分子的量与平衡相对压(P/P(P/P0 0)呈线性关系。呈线性关系。3.3.含有含有较弱极性基醚键（较弱极性基醚键（OO）、羰基（）、羰基（COCO）、巯基（）、巯基（SOSO2 2）等）等疏水性疏水性高分子材料，如高分子材料，如醋酸丁酸纤维素（CAB）以及聚酰亚胺（PI）等是亲水性较弱的聚合物。较大偶极矩的极性基与水分子有较强作用形成氢键结合，为较大偶极矩的极性基与水分子有较强作用形成氢键结合，为化学吸附化学吸附。很难脱。很难

41、脱附，附，产生湿滞产生湿滞-防止或减弱水分子的凝聚是减小湿滞的关键之一（被吸附的水分防止或减弱水分子的凝聚是减小湿滞的关键之一（被吸附的水分子间相互作用产生凝聚（子间相互作用产生凝聚（ClusterCluster）可用疏水基分隔极性基防止吸附水分子凝聚，有代表性的疏水基有烷基、苯基等碳氢、碳氟化物。第39页/共86页左图为左图为MSR1MSR1型型高分子电容式湿度传感器结构，高分子电容式湿度传感器结构，右图为感湿特性曲线。右图为感湿特性曲线。第40页/共86页Vaisala 湿度传感器特性 高分子湿度传感器温度系数温度系数是非线性的，在是非线性的，在10103030内接近于常数内接近于常数(0

42、.05(0.050.5%RH/)0.5%RH/)，-5-5+20+20内有内有5%5%的漂移，的漂移，-40-40-5-5漂移达漂移达35%35%。因某些温区介电常数因某些温区介电常数随温度呈上升趋势，某随温度呈上升趋势，某些温区些温区则下降则下降 温度上升，高分子聚合物的平均温度上升，高分子聚合物的平均热线热线膨胀胀，介质膜厚，介质膜厚d d增加，对增加，对C C呈负贡献；呈负贡献；但膨胀又使介质对水的吸附量增加，又呈正值贡献。但膨胀又使介质对水的吸附量增加，又呈正值贡献。可见湿敏可见湿敏电容的温度特性电容的温度特性受多种因素支配受多种因素支配:不同的湿度温漂不同，不同的温区不同的湿度温漂不

43、同，不同的温区呈不同的温度系数，不同的感湿材料温度特性不同。总之，呈不同的温度系数，不同的感湿材料温度特性不同。总之，并非常数。并非常数。高分子介质在吸湿后，多相介质复合高分子介质在吸湿后，多相介质复合有加和性，提高了吸水异质层的有加和性，提高了吸水异质层的，使，使湿敏电容的湿敏电容的C C与相对湿度成正比与相对湿度成正比。第41页/共86页三、三、HumirelHumirel相对湿度电容传感器相对湿度电容传感器 第一层第一层为多孔海绵状电容电极，抗机械及抗侵蚀，并作为环境过滤器能使水汽为多孔海绵状电容电极，抗机械及抗侵蚀，并作为环境过滤器能使水汽充分通过而阻止尘埃及化学物质通过。充分通过而阻

44、止尘埃及化学物质通过。第二层第二层为电容器的多分子聚合物夹层电介质，对水汽有良好的敏感性。为电容器的多分子聚合物夹层电介质，对水汽有良好的敏感性。第三层第三层为超薄聚合物层，与衬底形成良好接触。为超薄聚合物层，与衬底形成良好接触。第四层第四层是用高密度材料的金属衬底电极。是用高密度材料的金属衬底电极。测量环境湿度时，测量环境湿度时，水汽水汽通过通过多孔海绵状电极多孔海绵状电极到到电介质层被吸收电介质层被吸收使使介电常数改介电常数改变，变，导致电容器输出值升高导致电容器输出值升高，测量即可，测量即可得湿度与电容的关系得湿度与电容的关系。多层聚合物结构结构图：第42页/共86页 MHS1100 相

45、对湿度传感器相对湿度传感器：有完全互换性、较：有完全互换性、较高的可靠性、长期稳定性、可瞬间恢复。高的可靠性、长期稳定性、可瞬间恢复。采用固态多聚物使其适用于包括浸在水中的自采用固态多聚物使其适用于包括浸在水中的自动装配过程。动装配过程。如图，线性关系。湿度传感器的线性输出湿度传感器的线性输出应用电路应用电路：运放IC1、运放IC2、T1都是放大第43页/共86页 功能：功能：片内可完成信号的调整、精度高、线性好。片内可完成信号的调整、精度高、线性好。结构图结构图：两个热化聚合体层间形成的平板电容器：两个热化聚合体层间形成的平板电容器C C 可随湿度变化可随湿度变化 热化聚合体层有防御污垢、灰

46、尘、油及其它有害物质的功能。热化聚合体层有防御污垢、灰尘、油及其它有害物质的功能。其引脚图其引脚图：IH3605IH3605结构示意图结构示意图 IH3605IH3605引脚图正视图引脚图正视图 集成电容式湿度传感器集成电容式湿度传感器IH3605 IH3605 第44页/共86页一、一、IH3605IH3605的电压输出特性的电压输出特性 IH的输出电压较高且线性较好，无需放大及信号调整温度影响原理：温度影响原理：实际相对湿度值的两步计算实际相对湿度值的两步计算 1.计算出计算出2525的相对湿度值的相对湿度值RHRH0 0 U Uoutout为为IH3605IH3605的电压输出值，的电压

47、输出值，U UDCDC为为IH3605IH3605的供电电压值的供电电压值 2.2.计算出当前温度下实际相对湿度值计算出当前温度下实际相对湿度值RHRH。t t为当前的温度值，单位为为当前的温度值，单位为 电源电压升高，输出电压将成比例升高第45页/共86页 核心器件核心器件:AT89C2051:AT89C2051单片机，单片机，TLC1549TLC1549十位串行十位串行A/DA/D转换器，转换器，R R1 1、R R2 2、R R6 6设定设定A/DA/D转换器的最大输入电压，转换器的最大输入电压，R R3 3、R R4 4、R R7 7设置设置A/DA/D的最小输入电压，温度探头的最小输

48、入电压，温度探头D D2 2全数字式测温集成电路全数字式测温集成电路DS1820DS1820，由，由P P1010读入温度值读入温度值单片机将单片机将湿度值进行温度校正湿度值进行温度校正，得实际的相对湿度值。，得实际的相对湿度值。输出直接接到输出直接接到A/DA/D上完成模数转换。上完成模数转换。由于由于IH3605IH3605的输出信号范围为的输出信号范围为0.80.83.9V3.9V（2525），应选择有设定最小值和最），应选择有设定最小值和最大值功能的大值功能的A/DA/D转换器。转换器。二、典型应用第46页/共86页6 6.1 1 概概 述述 湿湿度度传传感感器器6 6.2 2 电电阻

49、阻式式湿湿度度传传感感器器 6 6.3 3 电电容容式式湿湿度度传传感感器器 6 6.4 4 其其它它类类型型湿湿度度传传感感器器 6 6.5 5 湿湿度度传传感感器器的的应应用用实实例例 第47页/共86页半导体结型和半导体结型和MOSMOS型湿度传感器型湿度传感器 新型射频传感器新型射频传感器 光纤湿敏传感器光纤湿敏传感器 新型界限电流式高温湿度传感器新型界限电流式高温湿度传感器 第48页/共86页一、湿敏二极管一、湿敏二极管 Sn02湿敏二极管结构结构:N N型硅单晶材料型硅单晶材料:尺寸尺寸22mm22mm2 2、厚、厚200m200m、电阻率为、电阻率为5cm 5cm SiOSiO2

50、 2层层:10nm10nm。良好的导电性SnO2:再通入携带着二甲基二氯化锡蒸汽再通入携带着二甲基二氯化锡蒸汽的惰性气体，与通入的氧气发生热解和氧化反应为：的惰性气体，与通入的氧气发生热解和氧化反应为：(CH3)2SnCl2十O2 SnO2+2CH3Cl 还可掺入少量的提高导电性，类同于半导体中的还可掺入少量的提高导电性，类同于半导体中的N N型掺杂。型掺杂。金属铝电极金属铝电极:硅片的背面和硅片的背面和SnOSnO2 2层，为使层，为使SnOSnO2 2表面充分裸露空气中与水蒸汽直接接表面充分裸露空气中与水蒸汽直接接触，触，SnOSnO2 2上的电极不宜过大。上的电极不宜过大。第49页/共8