《半导体敏感元件(湿度)》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体敏感元件(湿度)(41页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、湿度传感器 课程内容 1湿度表示方法2湿敏传感器分类3湿度传感器的主要参数4几种常用测量湿度方法5半导体陶瓷湿敏元件6元素半导体湿敏元件7半导体结型和MOS型湿敏元件8 高分子湿度传感器9湿敏传感器的应用10典型湿度传感器 1湿度表示方法 在某一温度下 其水蒸气压同其饱和蒸气压的百分比 相对湿度 单位体积内 空气里所含水蒸气的质量 绝对湿度 当空气的温度下降到某一特定温度 空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠 相对湿度为100 RH 简称露点 如果露点温度低于0 时 水蒸气将结霜 统称为露点 露点温度 霜点温度 湿度 大气中含有水蒸气的多少 表明大气的干湿程度 常表示为 RH 道尔顿部分压力
2、定律 在常温常压下 一定体积混合气体的压力 等于其各组成成分分别单独在相同体积内产生的部分压力之和 毛发式 干湿球式 陶瓷式 有机高分子式 半导体式和电解质式等 2湿敏传感器分类 电阻式 电容式和频率式等 按探测功能 相对湿度 绝对湿度 结露和多功能式四种 按材料 按湿敏元件输出的电学量 干球温度计 湿球温度计 刻度盘 纱布 水槽 2湿敏传感器分类 干湿球式湿度计 2湿敏传感器分类 干湿球式湿度计 利用水蒸发要吸热降温 而蒸发的快慢 即降温的多少 是和当时空气的相对湿度有关 原理 3湿度传感器的主要参数 A湿度量程 B感湿特征量 C感湿灵敏度 D特征量温度系数 电容温度系数 电阻温度系数 T
3、温度25 与另一规定环境温度之差 E感湿温度系数 感湿温度系数 RH T 温度25 与另一规定环境温度之差 低湿型 0 5 RH 30 RH 中湿型 30 RH 70 RH 高湿型 70 RH 100 RH 全湿型 0 100 RH 例 R1 R20 F响应时间 G湿滞回线和湿滞回差 I频率特性 加直流电压 会引起湿敏元件的感湿体内水分子电解 致使其电导率随时间的延长而下降 故采用交流电压 注 通常脱湿响应时间大于吸湿相应时间 H电压特性 高湿时 频率影响较小 低湿高频时 频率增加 元件阻值下降 上限频率通常由实验决定 为防止水解 频率通常大于50Hz 3湿度传感器的主要参数 4几种常用测量湿
4、度方法 用纤维素与约50微米厚金属箔粘合在一起 卷成螺旋状构成 适用范围 30 100 RH 毛发湿度计 电子式温湿度计 干湿球式温湿度计 5电解质湿度传感器 氯化锂湿度 电阻特性曲线 利用吸湿性盐类潮解 离子导电率发生变化而制成的测湿元件 原理 水分子结构示意图 6半导体陶瓷湿敏元件 材料 金属氧化物半导体陶瓷 类型 烧结型 厚膜型和薄膜型 感湿机理 A电子导电理论 B质子导电理论 C电子 质子混合导电理论 陶瓷湿敏元件利用其表面多孔性吸湿导电 特点 测湿范围宽 工作温度高 响应时间短 精度高 水分子特点 极性分子 电子云趋向于氧原子 氢原子附近有很强的正电场 水分子具有很强的电子亲和力 6
5、半导体陶瓷湿敏元件 感湿机理 A电子导电理论 实质 用能带理论来解释多孔陶瓷的感湿机理 表面能级 表面受主态能级 表面施主态能级 成对出现 本征表面态 P型金属氧化物半导体 水分子在晶粒表面吸附 在价带上方产生新的能级 相对湿度增大时 表面吸附的水增多 增加了表面受主密度 表面空穴的浓度随相对湿度的增大而不断增大 使表面电阻明显下降 引起感湿陶瓷的电阻下降 6半导体陶瓷湿敏元件 感湿机理 A电子导电理论 N型金属氧化物半导体 A过程 正感湿过程 B过程 随着相对湿度 界面积累的空穴浓度将超过导带中原有电子浓度 出现反型层 界面电阻率下降 呈现负感湿特性 B质子导电理论 6半导体陶瓷湿敏元件 感
6、湿机理 C电子 质子混合导电理论 化学吸附产生电场促进物理吸附水的分解 其电荷输运是通过一个质子附载在水分子上形成水合氢离子进行的 表现为负感湿特性 在任何湿度下 陶瓷湿敏元件同时存在有电子导电和质子导电 低湿情况下 则以电子导电为主 高湿情况下 则以质子导电为主 中等湿度情况 则是电子导电和质子导电的过渡区域 6 1MgCr2O4 TiO2陶瓷湿敏元件结构 6半导体陶瓷湿敏元件 以不同的金属氧化物为原料 通过典型的陶瓷工艺烧制而成 6 2MgCr2O4 TiO2湿敏元件特性 国产SM 1型 6半导体陶瓷湿敏元件 阻 湿特性 响应时间 吸湿和脱湿响应时间约为10s 加热清洗特性 气敏特性 Mg
7、Cr2O4 TiO2半导体陶瓷材料为多孔性结构 工作温度低于150 时 良好感湿特性 300 550 时 丧失对水蒸汽敏感特性 对多种气体敏感 例如乙醇 6 2MgCr2O4 TiO2湿敏元件特性 国产SM 1型 6半导体陶瓷湿敏元件 日本松下公司MgCr2O4 TiO2系多功能传感器典型特性 6 3MgCr2O4 TiO2湿敏元件工艺 6半导体陶瓷湿敏元件 材料制备 配比 MgO Cr2O3 TiO2 70 70 30 摩尔分数 配好原料放入球磨罐中进行球磨 干燥 过筛后 制成粒径合适的粉料 成型 在加工好的粉料中加入有机粘合剂 搅拌均匀后 装入模具内 经压力机加压成型 烧成 从室温升到30
8、0 左右 适当保温一段时间 把粘合剂从陶瓷胚体中排出 防止高温烧结时粘合剂燃烧出现裂纹 然后升温 在1300 下保温2 4h 电极制作 选用Ru 钌 O2 RuO2材料方块电阻小 热膨胀系数相当 附着力好 化学性能稳定 RuO2电极具有多孔性 允许水分子通过电极到达陶瓷表面 5 安置加热器 6 4ZrO2厚膜陶瓷湿敏元件 6半导体陶瓷湿敏元件 厚膜陶瓷感湿机理 由于物理吸附的水 在湿敏感湿层的表面上进行解离而产生质子 实际是质子导电 元件的结构 工艺 ZrO2 Y2O3的固溶体简称YSZ 钇 ZrO2厚膜湿敏元件的特性 6半导体陶瓷湿敏元件 湿度 温度特性 在低湿度时 温度对阻 湿特性影响较大
9、 在相对湿度不变的情况下 随温度的上升 阻值减小 呈现出NTC热敏电阻特性 响应特性 湿度从84 RH变化到53 RH时响应速度要慢些 即脱湿过程慢 在室温下吸湿时间为20s 脱湿时间约为1min 6 5多孔Al2O3湿敏元件 片状 棒状 针状 类型 6半导体陶瓷湿敏元件 元件结构 元件核心 具有感湿特性的多孔Al2O3膜 工艺 采用阳极氧化法制备 感湿机理 6半导体陶瓷湿敏元件 剖面图 等效电路 等效电路阻抗 可得 多孔Al2O3湿敏元件的特性参数 6半导体陶瓷湿敏元件 1 感湿特性 膜厚度对其感湿特性的影响 总结 对以Cp为感湿特征量的元件 厚度越小 越好 多孔Al2O3湿敏元件的特性参数
10、 6半导体陶瓷湿敏元件 1 感湿特性 膜厚度对其感湿特性的影响 总结 对以Rp为感湿特征量的元件 厚度越大 有利于提高灵敏度 测量绝对湿度的感湿特性曲线 Cp值越大 Cp随露点温度变化越明显 元件灵敏度越高 6半导体陶瓷湿敏元件 多孔Al2O3湿敏元件的特性参数 函数关系 响应时间 环境温度越高 通气流速越大 响应时间越短 湿滞特性 阳极氧化时生成的多孔Al2O3有多个解理面 易于产生裂纹 以致在该处易于聚集水分而成缓慢的扩散源 气孔孔型不规则 分布不均匀 外电极上有机物的玷污 过厚的外电极金属膜以及过大的感湿面积等 都是湿滞的原因 7元素半导体湿敏元件 材料 原理 用Ge Si或C等薄膜制成
11、的 当环境温度发生变化时 水分子的吸附将改变晶粒的表面态的占据情况 以及影响晶粒界面的势垒高度 有效的改变薄膜的电阻 硅 Si 烧结型湿敏元件 在Al2O3基片上 烧结一对金电极 涂覆一层Si湿敏材料 结构 感湿特性曲线 湿敏二极管 8半导体结型和MOS型湿敏元件 结构 I V曲线 表面态能级填充引起肖特基势垒变化 湿敏MOSFET MOSFET 的栅极上涂覆一层感湿薄膜 再在感湿薄膜上增设一个金属电极构成 8半导体结型和MOS型湿敏元件 湿敏MOSFET是N沟道耗尽型 在栅压为零时 有沟道存在 工作时 无需外加栅压 利用有机高分子材料吸湿性与胀缩性 某些高分子电介质吸湿后 介电常数明显改变
12、制成电容式湿度传感器 某些高分子电解质吸湿后 电阻明显变化 制成电阻式湿度传感器 利用胀缩性高分子 如树脂 材料和导电粒子 在吸湿之后的开关特性 制成结露传感器 9 高分子湿度传感器 原理 高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构 传感器的电容量变化很大 线性度欠佳 可外接转换电路 电容 湿度特性趋于理想直线 传感器特性 1 电容 湿度特性 9 高分子湿度传感器 2 响应特性 高分子薄膜可以做得极薄 吸湿响应时间都很短 一般都小于5s 有的响应时间仅为1s 3 电容一温度特性 电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小 在5 50 范围内 电容温度系数约为0 06 RH 电阻式高分子膜湿
13、度传感器 1 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器 9 高分子湿度传感器 2 电阻 湿度特性 聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显 具有负温度系数 在 0 55 时 温度系数为 0 6 1 0 RH 3 温度特性 电阻式高分子膜湿度传感器 9 高分子湿度传感器 10湿敏传感器的应用 10 1湿敏元件的标定 结构简单 费用少 操作方便 精度较高 但湿度是不连续的 饱和盐溶液法 湿度固定点法 特点 将饱和盐水溶液置于封闭的容器中 在给定的温度下 盐溶液达到饱和时 其平衡蒸汽压也将恒定 特点 双温法 相对湿度 10 1湿敏元件的标定 10湿敏传感器的应用 气体通过具有一定温度的饱和槽 使其成为饱和气体 饱
14、和槽的饱和水蒸气压为et 再将气体通入比饱和槽温度高的试验槽 试验槽温度对应的饱和水蒸气压为ets 装置简单 难于精确控制温度 精度低 将被压缩的干燥气体通入一定温度下的饱和槽内 使之变成饱和气体 饱和槽的气体压力为Ps 再将这种饱和气体膨胀到同一温度下的试验槽中 由于压缩气体的膨胀 气体变成了非饱和的气体 若试验槽内的气体压力为Pt 因高 低湿时气体膨胀情形不一样 对调整压力精度的技术要求高 特点 双压法 压缩膨胀法 相对湿度 10 1湿敏元件的标定 10湿敏传感器的应用 10 2湿敏元件的温度补偿 半导体陶瓷湿敏元件 NTC 特性 电阻温度系数 TCR 电阻湿度系数 HCR 对于负温度系数湿敏元件 温度补偿方法在测试探头回路中串联正温度系数元件 设Rn Rp 要使R不随温度变化 必须使 10湿敏传感器的应用 湿度温度系数 无源线性变化 10 3线性化 并联电阻 满足关系 优点 简单 方便 缺点 牺牲灵敏度 10湿敏传感器的应用 有源线性变化 10 3线性化 1 2 5 3 6 4 10湿敏传感器的应用 湿度传感器测量电路 10湿敏传感器的应用 瑞士Sensiron公司电容相对湿度传感器 数字温湿度传感器 DHT9X Honeywell电容式湿度传感器 11典型湿度传感器 电容湿度传感器 SMTHS07 高精度湿度传感器 湿度传感器HS1101 11典型湿度传感器