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1、电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作第八章 电子聚合物基湿度传感器电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作目 录一、简介二、湿度及湿度传感器三、电子聚合物湿度传感器四、湿度传感器的应用及发展动向本章小结电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作一、简 介p 湿度测量技术湿度测量技术发展已有200多年历史。人们对湿敏元件的认识是从1938年美国人F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl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。 电子科技大学电子科
2、技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作湿度检测的重要性p湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关 系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。p目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。 因此湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度 测量技术与仪器那样精确与完善。p由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机 械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失 。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作二、湿度及湿度传感器1、湿度及其表示方法2、湿度传感器及其特性参数3、湿度传感器的分类 电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感
3、器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作1、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 ，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干 湿程度的物理量。p大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度 。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作 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:式中： 被测空气的绝对湿度MV一被测空气中水汽的质量V 被测空气的体积电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作p相对湿
4、度是气体的绝对湿度(V)，与在同一温度下水蒸汽已达 到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为RH。其表达式 为：相对湿度 = (V /W)100 %RHp根据道尔顿分压定律，空气中压强PPa十PV（Pa为干空气分压， PV为湿空气气压)和理想状态方程，通过变换，又可将相对湿度 用分压表示：相对湿度(PV /PW)100 %RH式中：PV- 待测气体的水汽分压；PW- 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。 相对湿度电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作露点、露点温度及相对湿度的关系v原理可以叙述为：当一定体积的湿空气在恒定 的总压力下被均匀降温时，在冷却的
5、过程中， 气体和水汽两者的分压力保持不变，直到空气 中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点。v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：电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作不同温度时水的饱和水汽压电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作2、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 的电量输出的器件式装置。p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电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感
6、器 课程组课程组 制作制作 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。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。氯化锂湿敏特性曲线电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作 感湿特征量相对湿度特性曲线p 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。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作感湿特性曲线p 湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量。 相对湿度特性曲
7、线简称感湿特性曲线电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作感湿特性曲线的斜率p 人们希望特性曲线应当在全量程上是连续 的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线 。p 斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低 ；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量 带来困难。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作PI湿度传感器湿度特性图 电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组
8、制作制作PI湿度变送器输出特性曲线 电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作 灵敏度p定义：湿敏元件的灵敏度，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。p表示法：直线的斜率。p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。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组
9、课程组 制作制作普遍采用的灵敏度的方法目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是，用元件在不同环境湿度 下的感湿特征量之比来表示灵敏度。例如：日本生产的MgCr2O4-TiO2湿敏元件的灵敏度，用一组电阻比R1%R20%，R1%R40%，R1%R60%，R1%R80%及R1% R100%表示，其中R1%，R20%，R40%，R60%，R80%及R100% 分别为相对湿度在1，20，40，60，80及100时湿敏 元件的电阻值之比。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作 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
10、曲线随环境温度而变化的特 性参数。p在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接 给测量带来误差。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。p由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变 化所引起的测湿误差。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作MgCr2O4-TiO2 湿敏元件的温度特性电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作 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 量随相对湿度变
11、化的快慢程度。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。p在标记时，应写明湿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。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作K2O-Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作 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。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作Mn3O
12、4- TiO2湿敏器件 在80时的湿滞回线p 湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所 构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。p 湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。p 人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作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。电子科技大学
13、电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作三、电子聚合物湿度传感器1.聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件v有机季铵盐高分子电解质湿敏元件v聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件v胀缩性有机物湿敏元件v高分子聚合物薄膜湿敏元件电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作1. 聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件p 此类元件是用聚苯乙烯作为基片，其表面用硫酸进行磺化处理，引入磺酸基团（-SO4H-），形成具有共价键结合的磁化聚苯乙烯亲水层。p 为了提高湿敏元件的感湿特性，再引入氯化锂溶液，通过离子交换Li置换出磺酸基团中的氢离子H，形成磺酸锂感湿层，最后，在感湿层表面再印刷
14、上多孔性电极。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作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切相关，亦即与亲水性的离子交换树脂的性能 有关。元件的湿滞回差亦较理想，在阻值相同的情况下，吸湿和脱湿时 湿度指示的最大差值为（3-4）RH。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作对湿敏元件进行抗水浸性能的试验（水浸两小时），结果如图所示。水浸后元件阻值略有提高，在低湿段较为明显。 why?电子科技大学电子科技大学 敏
15、感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作温 度 特 性电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作2.有机季铵盐高分子电解质湿敏元件该类高分子湿度传感器的感湿材料含有氯化季铵盐的高分子聚合物-丙烯酸酯，该材料是一种离子导电的高分子材料。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作感湿原理为：大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，其变化与相对湿度的变化成指数关系。电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组 制作制作有机季铵盐高分子电解质 湿敏元件的主要参数精度（%RH）工作温度 范围（C）测湿范围（%RH）滞后（%RH）响应 时间（）额定 功率（mv）额定 电压（V）（ AC）额定电流（mA）23-20+6
