湿度传感器及其应用

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1、湿度传感器及其应用 课题一 湿度传感器的分类及特性任务目标 熟悉湿度的表示方法和湿度传感器的主要特性 ； 熟悉半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子湿度 传感器的基本结构，掌握其感湿特性。长江工程职业技术学院自动化教研室一、湿度传感器概述湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传 感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换 为电信号的装置 ，现代化的工农业生产及科 学实验对空气湿度的重视程度日益提高，要求 也越来越高，如果湿度不能满足要求，将会造 成不同程度的不良后果。 长江工程职业技术学院自动化教研室1湿度的表示方法狭义的湿度是指空气中水汽的含量，常用绝对湿度 、相对湿度和露点（或露点温度）等来表示。

2、 （1）绝对湿度 绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积 待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度，其 数学表达式为 （3-1） 式中Mv待测气体中水蒸气的质量；V 待测气体的总体积；Ha待测气体的绝对湿度，单位为g/m3。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）相对湿度 相对湿度为待测气体中的水蒸气压与同温度下水的 饱和蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为（3-2） 式中 PV某温度下待测气体的水蒸气压；PW与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压；RH相对湿度，单位为%RH。长江工程职业技术学院自动化教研室饱和水蒸气压与气体的温度和气体的压力有关。 当温度和压力变化时，因饱和水蒸气压变化，所

3、 以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也会 发生变化，温度越高，饱和水蒸气压越大。日常 生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度 而言。凡谈到相对湿度，必须同时说明环境温度 ，否则，所说的相对湿度就失去确定的意义。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）露点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样 的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压 与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度 下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下 水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将 向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100RH。 该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一 温度低于0时，

4、水蒸气将结霜，又称为霜点温度。 两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低 ，因而可用露点表示空气中的湿度。长江工程职业技术学院自动化教研室2湿度传感器的主要特性（1）感湿特性 感湿特性为湿度传感器的 感湿特征量（如电阻、电 容、频率等）随环境湿度 变化的规律，常用感湿特 征量和相对湿度的关系曲 线来表示，如图3-1所示 。图3-1 湿敏元件的感湿特性曲线按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲 线和负特性曲线 。性能良好的湿度传感器，要求 在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性 变化，其斜率大小要适中。 长江工程职业技术学院自动化教研室（2）湿度量程 湿度传感器能够比较精确测量相

5、对湿度的最大范围称 为湿度量程。一般来说，使用时不得超过湿度量程规 定值。所以在应用中，希望湿度传感器的湿度量程越 大越好，以0%100%RH为最佳。 湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全 湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于70%RH的场 合；低湿型适用于相对湿度小于40%RH场合；而全湿 型则适用于0%100%RH的场合。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）灵敏度 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化 的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变 1%RH时，湿度传感器的感湿特征量的变化值，也 就是该湿度传感器感湿特性曲线的斜率。 由于大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非

6、线性的 ，在不同的湿度范围内具有不同的斜率，因此常用 湿度传感器在不同环境湿度下的感湿特征量之比来 表示其灵敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下 的电阻值与在10%RH下的电阻值之比。长江工程职业技术学院自动化教研室（4）响应时间 当环境湿度增大时，湿敏器件有一吸湿过程，并产 生感湿特征量的变化。而当环境湿度减小时，为检 测当前湿度，湿敏器件原先所吸的湿度要消除，这 一过程称为脱湿。所以用湿敏器件检测湿度时，湿 敏器件将随之发生吸湿和脱湿过程。 在一定环境温度下，当环境湿度改变时，湿敏传感 器完成吸湿过程或脱湿过程（感湿特征量达到稳定 值的规定比例）过程所需要的时间，称为响应时间 。感

7、湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以 实际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的 90%所需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿 度这一变化区间90%的相对湿度变化所需的时间来 计算。长江工程职业技术学院自动化教研室（5）感湿温度系数 湿度传感器除对环境湿度敏感外，对温度也十分敏感 。湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特 性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温 度下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，如图3- 2所示。图3-2 湿敏元件的温度特性湿度传感器的感湿温度系数 定义为：湿度传感器在感湿 特征量恒定的条件下，当温 度变化时，其对应相对湿度 将发生变化，这两个变化量

8、之比（参见式（3-3）， 称为感湿温度系数。（3-3） 长江工程职业技术学院自动化教研室显然，湿度传感器感湿特性曲线随温度的变化越大 ，由感湿特征量所表示的环境湿度与实际的环境湿 度之间的误差就越大，即感湿温度系数越大。因此 ，环境温度的不同将直接影响湿度传感器的测量误 差。故在环境温度变化比较大的地方测量湿度时， 必须进行修正或外接补偿。 湿度传感器的感湿温度系数越小越好。传感器的感 湿温度系数越小，在使用中受环境温度的影响也就 越小，传感器就越实用。一般湿度传感器的感湿温 度系数在0.20.8%RH/。 长江工程职业技术学院自动化教研室图3-3 湿度传感器的湿 滞特性（6）湿滞特性一般情况

9、下，湿度传感器不仅在吸 湿和脱湿两种情况下的响应时间有 所不同（大多数湿敏器件的脱湿响 应时间大于吸湿响应时间），而且 其感湿特性曲线也不重合。在吸湿 和脱湿时，两种感湿特性曲线形成 一个环形线，称为湿滞回线。湿度 传感器这一特性称为湿滞特性，如 图3-3所示。 湿滞回差表示在湿滞回线上，同一感湿特征量值下， 吸湿和脱湿两种感湿特性曲线所对应的两湿度的最大 差值。在电阻为X值时，RH=RHH-RHL，显然湿度传 感器的湿滞回差越小越好。 长江工程职业技术学院自动化教研室（7）老化特性 老化特性为湿度传感器在一定温度、湿度环境下，存 放一定时间后，由于尘土、油污、有害气体等的影响 ，其感湿特性将

10、发生变化的特性。（8）互换性 湿度传感器的一致性和互换性差。当使用中湿度传感 器被损坏，那么有时即使换上同一型号的传感器也需 要再次进行调试。 长江工程职业技术学院自动化教研室综上所述，一个理想的湿度传感器应具备以下性能 和参数： 使用寿命长，长期稳定性好。 灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好。 使用范围宽，感湿温度系数小。 响应时间短。 湿滞回差小，测量精度高。 能在有害气氛的恶劣环境下使用。 器件的一致性、互换性好，易于批量生产，成本 低。 器件的感湿特征量应在易测范围以内。长江工程职业技术学院自动化教研室二、湿度传感器的分类及工作原理 湿度传感器种类很多，没有统一分类标准。按探 测功能来分

11、，可分为绝对湿度型、相对湿度型和结 露型；按传感器的输出信号来分，可分为电阻型、 电容型和电抗型，电阻型最多，电抗型最少；按湿 敏元件工作机理来分，又分为水分子亲和力型和非 水分子亲和力型两大类，其中水分子亲和力型应用 更广泛；按材料来分，可分为陶瓷型、有机高分子 型、半导体型和电解质型等。下面按材料分类分别 加以介绍。 长江工程职业技术学院自动化教研室1半导体陶瓷湿度传感器 陶瓷湿度传感器具有很多优点，主要如下：测湿 范围宽，基本上可实现全湿范围内的湿度测量； 工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在 150以下，而高温湿度传感器的工作温度可达 800；响应时间短，多孔陶瓷的表面积大，易 于吸

12、湿和脱湿；湿滞小、抗沾污、可高温清洗和 灵敏度高，稳定性好等。长江工程职业技术学院自动化教研室半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为： 烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。陶瓷湿度传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2 （铬酸镁-二氧化钛）系、ZnO-Cr2O3（氧化锌- 三氧化二铬）系、ZrO2（二氧化锆）系、Al2O3 （三氧化铝）系、TiO2-V2O5（二氧化钛-五氧化 二钒）系和Fe3O4（四氧化三铁）系等。它们的 感湿特征量大多数为电阻，除Fe3O4系外，都为 负特性湿敏传感器，即随着环境湿度的增加电阻 值降低。下面介绍其典型品种。 长江工程职业技术学院自动化教研室

13、半导体陶瓷湿度传感器长江工程职业技术学院自动化教研室（1）MgCr2O4-TiO2系湿度传感器 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器为烧结型，其结构如图3- 4所示。图3-4 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器结构 长江工程职业技术学院自动化教研室制作方法 ：以MgCr2O4为基础材料，加入适量的TiO2，在 1300左右烧结而成，然后切割成所需薄片，在 MgCr2O4-TiO2陶瓷薄片两面涂覆氧化钌（RuO2） 多孔电极，并于800下烧结，制成感湿体，电极 与引出线烧结在一起，引线为Pt-Ir（铂-铱）丝。 在感湿体外设置由镍铬丝烧制而成的加热清洗线 圈，此线圈的作用主要是通过加热排除附着

14、在感 湿片上的有害物质（如水分、油污、有机物和灰 尘等），以恢复对水汽的吸附能力。常用450每 分钟的条件对陶瓷表面进行热清洗。 长江工程职业技术学院自动化教研室MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线如图3-5所 示，该湿度传感器的特点是体积小、感湿灵敏度适中 ，电阻率低，阻值随相对湿度的变化特性好，测量范 围宽，可测量0100%RH，响应速度快，响应时间可 小至几秒。图3-5 MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线长江工程职业技术学院自动化教研室（2）硅MOS型Al2O3湿度传感器Al2O3湿度传感器根据湿敏元件制作方法不同，可 分为多孔Al2O3湿度传感器、涂覆膜状Al

15、2O3湿度 传感器和MOS型湿度传感器。下面介绍硅MOS型 湿度传感器。图3-6 硅MOS型Al2O3湿度传感器的结构 MOS型湿度传感 器具有响应速度 快、化学稳定性 好及耐高低温冲 击的性能。长江工程职业技术学院自动化教研室2高分子湿度传感器高分子湿度传感器包括高分子电解质薄膜湿度传感 器、高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度 传感器、结露传感器和石英振动式传感器等，下面 分别加以介绍。（1）高分子电阻式湿度传感器 这种传感器的湿敏层为可导电的高分子，强电解质 ，具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子 膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生电离子， 所以电阻值较高；当相对湿度增加时，

16、吸附量也增 大。高分子电解质吸水后电离，正负离子对主要起 到载流子作用，使高分子湿度传感器的电阻下降。 吸湿量不同，高分子介质的阻值也不同，根据阻值 变化可测量相对湿度。长江工程职业技术学院自动化教研室高分子湿度传感器外形图 长江工程职业技术学院自动化教研室（2）高分子电容式湿度传感器 图3-7为高分子薄膜电介质电容 式湿度传感器的结构，它是在洁 净的玻璃基片上，蒸镀一层极薄 （50nm）的梳状金质，作为下 部电极，然后在其上薄薄地涂上 一层高分子聚合物（1nm），干 燥后，再在其上蒸镀一层多孔透 水的金质作为上部电极，两极间 形成电容，最后上下电极焊接引 线，就制成了电容式高分子薄膜 湿度传感器。图3-7 高分子薄膜电介质电容式湿度 传感器的结构长江工程职业技术学院自动化教研室当高分子聚合物介质吸湿后，元件的介电常数随环境 相对湿度的变化而变化，从而引起电容量的变化。由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸湿和 脱湿，故该类传感器有滞后小和响应速度快等特点。（3）结露