湿度传感器

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1、湿度传感器（综述）摘要：本文概述了湿度传感器的发展史,分析了湿敏陶瓷的微观结构和感湿机理，湿 敏元件的特性,以及湿度传感器从材料和原理等方面的分类，重点阐述集成湿度传感器、 单片智能化湿度/温度传感器的性能特点及产品分类，最后给出在气象，节水灌溉，新生 儿温箱中等的应用。关键词: 湿敏传感器，湿敏元件，感湿机理，分类，研究进展1. 湿度传感器的发展史 最早的湿度检测法是达芬奇用羊毛或人头发制成的毛发湿度计。这种机械式湿度检测仪曾 在测湿历史上发挥重大作用。但是随着电子技术的发展, 人们开始对电子湿度传感器进行研 究。1939 年, 顿蒙利用材料的电气特性研制出世界上第一个湿度传感器顿蒙湿度传感

2、器是 利用电解质例如制成的。根据电阻值的变化可以检测相对湿度。但是, 这种传感器的检测范 围太小, 要想测量较宽的湿度变化必须使用多个特性不同的传感器。同时进入测湿市场的还 有利用聚合物薄膜或碳膜吸湿膨胀原理制作的湿度传感器。然而, 这些传感器都不能批量生 产, 因为它们的制作过程需要大量的人工技巧后来 , 人们又开始研究如何用半导体制造湿 度传感器, 于是研制出若干种以陶瓷金属氧化物为主要材料的湿度传感器。测试了用含金属 氧化物的厚膜硅或胶体涂印的传感器。此外, 还通过减小胶体电阻的办法提高响应速度。陶 瓷湿度传感器会由于吸水、界面捕获现象和环境中, 分子等因素而使性能变坏。为防止这种 情况

3、, 又研制出能耐受定时加热清洗的传感器元件。后来,又由于维护困难, 而引入了非加热 型传感器。通过特定的化学处理和老化处理可抑制特性的变化。2. 湿敏陶瓷的微观结构和感湿机理 湿敏半导体陶瓷元件感湿机理主要是水分子在陶瓷颗粒表面的作用过程，水分子在其表面 吸附，使半导体陶瓷介电常数随湿度变化而变化。但在感湿中既有化学吸附，也有物理吸 附;既要考虑电子过程 .也不能忽视离子电导。电子 一 质子 （离子）导电感湿理论认为.水分 子在湿敏陶瓷表面和晶界处的化学吸附和物理吸附降低了表面和晶界电阻。使陶瓷总电阻 随湿度增大而降低。在低湿时，水分子以化学吸附为主.陶瓷主要靠电子或空穴导电;高湿时， 水分子

4、以物理吸附为主，陶瓷主要靠质子和离子导电;在中湿时，水分子的化学吸附和物理 吸附都具有重要作用，随着湿度增大，水分子的吸附由化学吸附为主转向物理吸附为主， 导电则由电子或空穴导电为主转向质子和离子导电为主口电子 一 质子 （离子）导电感湿理 论是目前公认的在解释陶瓷感湿机理方面比较成功的模型，比较符合实际，被人们普遍接 受。3. 湿敏元件的特性 湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。3.1 湿敏电阻 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿 膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种 类很多，

5、例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵 敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。3.2 湿敏电容 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷 酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发 生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性 好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，但其精度一般 比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有 Humirel 公司、 Philips 公司、 Siemens公司等。以Humirel公司生产的S

6、H11O0型湿敏电容为例，其测量范围是（1% 99% ） RH,在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时, 电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为004pF/C,湿度滞后量为土 15%,响应 时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元 件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。由 于湿敏元件的线性度及抗污染性差,并且在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测 环境中,所以很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。33电阻式湿度传感器的系列化设计电阻式湿敏元件根据感湿材料不同

7、有许多种 ,如陶瓷的、金属氧化物的、电解质和碳膜的等 等,因而导电感湿机理也不同。例如电解质类型的是离子导电,碳膜涨缩型的是电子导电。在 选择研究方向时,首先着眼于元件的稳定性 ,考虑到导电粒子所在介质的均一性直接影响到 元件的稳定性，决定研究电解质材料离子导电的电阻式湿敏元件（ZSM系列）。ZSM系列湿敏元件的结构是在10 mm X5 mm X0. 6 mm大的陶瓷基片上，先烧制一 对金电极,然后焊上两条叉状引线。经清洗烘干后浸涂配好的湿敏材料印浆 ,经化学处理后, 通过老化、测试选择待用。其工艺流程见图 1。图1 这个制作过程与大多数电解质湿敏元件的作大体上一样，但是性能上有很大差别。例

8、如:LiCl2PVA湿敏元件，其优点是涂膜容易，一致性好，精度高;缺点是每一片量程太窄，仅 20 %RH ，怕结露。一旦结露，片子性能变坏，不能恢复。又如:离子交换树脂湿敏元件，优点是 量程宽（10 %95 %RH） 、耐污染;缺点是加工麻烦，批量生产一致性不好控制，容易出现非 线性，给线路工作带来困难。所以技术关键在于湿敏材料的选择、元件结构和因材料不同而 加工处理各异的条件的控制。研究重点是选择主链具有环形结构的高分子材料做电解质 材料的载体。要求材料对频率和温度的变化都不是很敏感，而且易溶于有机溶剂，成膜保持一 定的强度， 与基片粘附牢固，从而提高了产品的一致性和稳定性，降低了元件成本。

9、 改性加工和配伍材料。通过控制载体高分子侧基的大小、数量及分子间的结构，使单片元 件的量程范围A 9在30 %60 %RH范围随意调节，并具有较好的线性。 研究影响元件敏感区的因素和调节方法。通过改变电解质的含量，可随意改变元件的敏感 区，而其他特性不变，从而形成系列传感器:传感器型号 量 程 应 用ZSM27 30 %90 %RH 控制器，测控仪表ZSM28 30 %90 %RH 民用加湿器ZSM29 10 %95 %RH 测控仪表 对元件结构和结构材料进行研究。在基片与敏感膜之间增加了衬底层封闭了基片陶 瓷微孔，除去基片吸放湿给元件带来的影响，明显提高了元件的响应特性。 研究了影响元件可靠

10、性、稳定性的原因，采用保护膜结构，使元件耐磨损,抗结露，防污 染，使用寿命长，其结构见图2。图中,a为陶瓷基本;b为引线;c为衬底层;d为感温膜;e为 保护膜。 研究元件的电极结构，用敷铜板、碳电极代替陶瓷基片、金电极,降低成本形成ZSM28 型元件，其基本特性不变。 ZSM 系列湿敏元件的电阻测量是通过测量传感器的分压比 ，计算 求得。见图2。V是交流电压表，为交流信号源,Rh为湿敏元件电阻值,Rt为固定取样电阻。 K在1位置时测出VI , K在2位置时测出Vo ,则Vo = Vi ，按上式计算出RhRh Rt图2元件电阻与空气相对湿度、温度的关系可用经验公式来表示：R = Kexp( -

11、ap - p t)。K 为电阻常数；a为湿度系数;P为温度系数; HTF3223 型）、 Sensiron公司（SHT11、SHT15型）等。这些产品可分成以下三种类型：5.1 线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/361O、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路能 输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。5.2 线性频率输出集成湿度传感器典型产品为 HF3223 型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在 55%RH 时的输出频率为8750HC型值），当相对湿度从10%变化到95%时,输出频率就从956

12、0Hz 减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配合数字电路或单片机、 价格低等优点。5.3 频率/ 温度输出式集成湿度传感器典型产品为 HTF3223 型。它除具有 HF3223 的功能以外，还增加了温度信号输出端，利 用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改 变并且从 NTC 端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。6. 单片智能化温度/温度传感器2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器， 其外形尺寸仅为7.6 （mm）X 5（mm）X 2.5 （mm）,体积与火柴头相近。出

13、厂前，每只传 感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量 过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。 测量相对湿度的范围是0100%，分辨力达003%RH,最高精度为土 2%RH。测量温度 的范围是-40C+1238C,分辨力为001C。测量露点的精度 ”。用户首先从键盘上输入字 母S”，然后输入相应的数字，即可获得下述结果：输入数字“ 1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x；输入数字“ 2”时，测量并显示出相对湿度%RH=xx.x；输入数字“ 3”时，打开加热器，使传感器温度升高5C；输入数字“ 4”时，关闭加热

14、器，使传感器降温；输入数字“ 5”时，显示露点温度 dpC=xx.x。7. 集成湿度传感器典型产品的技术指标辰-堆力N 沁 W-感若拾门勺-忙安扌玄木扌拧初；瀑廿Z ：兀! J吗# I U iJSO LLUTlL f/Ft卜人佈小池1喝空返 輪曲W弋F tV沐皿ikl M/Tl 竺才、灯TillJ - j 峙5.H2:00(J.M V 一一 M “nw 十算更$龙十匸丨乜M -=価1 IlJ i-3rO3C 一 JcW+ 343.XZOfn.HV 3 Q V-40 -i-KSBH IM-3O1OO 1*4 - - a KZO1JO.K V-*4“- H-h r j 1-3= i o EKrf-

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16、Kjj A片叫4 j- n m亠口 一# t空cHL空钿 MH才匸-rSMT 1 51 7予2.- 1 30j中H W柑巨彳七-iii fld n尸8. 在气象，节水灌溉，新生儿温箱中等的应用。HMP45A/D8.1自动气象站湿度传感器工作原理及维护PtlOO湿度输出D1735V DC 电源地 湿度地HMP45A/D 温湿度传感器的结构示意图HMP45A/ D 传感器采用湿敏电容测量湿度。湿敏电容具有感湿特性的电介质 ,其介电常数 随相对湿度的变化而变化,通常有高分子薄膜和氧化铝两种类型。高分子薄膜型湿敏电容最 早由Vaisala公司开发。这里只介绍Humicap系列的高分子薄膜型湿敏电容。H

17、umicap传 感器是用有机聚合物电介质材料制成的小型电容器其结构如图4。传感器由玻璃衬板(a)、 基片金膜电极(b)、感湿膜(c)、表面金电极(d)和引线(e)组成。感湿膜常用醋酸纤维素，厚 度极薄，约为0. 51p m。厚度太薄会使表面与底部的电极短路，太厚会影响测湿的响应特 性。表面金电极用真空蒸镀法制成，厚度要求为0. 0即m，能良好地渗透水分子。基片金膜电图4在外界相对湿度发生变化时 ,作为感湿膜的高分子聚合物能对水汽分子吸附和释放 ,其介电 常数随之变化，促使湿敏电容量发生变化。为避免在极薄的表面电极上焊接引线两根引线 均从基片电极引出，元件等效为两个电容的串联其电容量Z r是薄膜

18、吸附水分子时的电容 率,A1为表面金电极的面积A 为基片金膜电极的面积,d为薄膜的厚度。因此，利用已知的 C =f (RH) 关系,将其接在探测器的电子线路中,即可用来测量空气的相对湿度。 HMP45A/ D 传感器已将电容变化量转化为电压的变化量输出电压范围为0IV。由于电压对导线的阻 值不敏感,所以电缆的电阻对测量数值的影响可忽略不计。电压的测量同样采用 A/ D 转换 器。8.2节水灌溉中土壤湿度传感器的应用 目前市场上主要测量土壤湿度方法有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法。8.2.1 中子衰减法测量土壤含水量 高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失, 变成慢中子, 形

19、成衰减, 由于被 测物中含水量不同产生的衰减亦不同 , 主要原因是水中含有氢原子, 而中子对氢原子作用 的损失远大于对其他原子作用的损失 , 这样可以通过测定慢中子来测定土壤含水量 , 也就 是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少 , 中子土壤水分测试仪就是根据这 一原理设计而成。这个方法的优点在于快速准确, 但重要的是这种方法如果屏蔽不好, 易造 成射线泄漏, 以致污染环境, 危害人体健康, 特别难以测量浅层土壤含水量, 而浅层土壤含 水量与作物生长关系密切, 明显随灌溉、降雨、蒸发等的变化而变化, 是土壤水分中最为活 跃的部分,需要实时监测,这就极大地限制了中子法的进一步推广应用

20、,这种方法在发达国 家已被禁止使用。8.2.2 张力计式土壤水分传感器 张力计式土壤水分传感器是一种广泛成功地用于某些土壤水分测量的传感器。这种仪表有 个多孔瓷头, 它通过充水的管子与真空表连接, 该装置插入土壤的钻孔中, 多孔瓷头与土 壤紧密帖合, 真空表设在地面之上。8.2.3 介电法速测土壤含水量8.3湿度传感器在新生儿温箱中的应用传统温箱是用干湿球湿度计来观察湿度 , 其结果有很大的误差, 且对温箱的湿度不能作出 控制。湿度一般在 50%60%比较适宜。过高会造成细菌大量滋生, 后果是不难想象。新型 控湿系统一般由以下模块组成湿度传感器、微处理器、加湿器、比较器、变速排气风扇、操作面板

21、等。微处理器采用89C51单片机。湿度传感器采用SHT11,这是一个超小型、高 精度、自校准、多功能式智能传感器, 可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。控湿原理： 通过加热器对容器中的水进行加热达到增湿功能；通过对空气加温, 可达到适度的降低湿度 的效果, 亦可通过增加空气干燥系统来大幅降低空气湿度。最后给出湿度传感器的几组照片参考文献：1湿度传感器的发展趋势，河北科技大学信息学院(050054)渺占友薛树琦葛家怡2湿度传感器发展方向邹议，周焱1、2,胡氢1,Zhou Yan, Hu Qing3.多孔硅湿度传感器研究进展, 许媛媛，何金田，李新建，陈渝仁4湿度传感器的可靠性研究，王严东，吉林

22、化工学院，吉林,邢淑红5种新型湿度传感器,张云岭，电子部第49所 6高分子湿度传感器的发展概况和发展方向，刘崇进沈家瑞朱荫兰 华南理工大学应用物理系 广州市7.电阻式湿度传感器的系列化设计及其应用,哈尔滨建筑大学基础科学系(150090)王力 北京五洲仪器与控制有限公司(100080) 鲁 南哈尔滨建筑大学机电系(150090) 吴 辉8自动气象站温湿度传感器工作原理及维护，郭海涛,山东省气象装备中心，济南2500319节水灌溉中土壤湿度传感器的应用迟天阳1, 2,杨方1*,果莉10湿度传感器在新生儿温箱中的应用,朱炳昌陈少斌李于凡,广州市第二人民医院设备科, 新生儿科, 广州11湿度传感器的

23、最新进展_续_12. Preparation and properties of a humidity sensor based on LiCl-doped porous silica L B KONG L Y ZHANG, X YAO Electronic Materials Research Laboratory, Xian Jiaotong University, Xian 710049, Peoples Republic of China13. Kim Seong2Jeen , Park Jae2Yoon , Lee Sang2Hoon , et al . Humidity sensors using porous silicon layer with mesa structure J . J Phys D Appl Phys ,2000 ,33 :1781 - 1784.