《传感器与检测技术(第2版)》胡向东 第11章.ppt

湿敏传感器的分类 界限电流式湿敏传感器 湿敏传感器 电阻式 电容式 其它 电解质式 陶瓷式 高分子式 陶瓷式 高分子式 光纤湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等 11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 电阻式湿敏传感器 电容式湿敏传感器 电阻式湿敏传感器 电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。 根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为： 电解质式 陶瓷式 高分子式 　　电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻是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。它由引线、基片、感湿层与电极组成。  氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 　　原理：当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。 湿敏电阻结构示意图 氯化锂湿度—电阻特性曲线 结构与特性曲线 氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响， 检测精度高达±５% 缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量， 器件性能重复性不理想，使用寿命短 　　　陶瓷式电阻湿敏传感器 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。 　　这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等 　　前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷 1. 负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导体陶瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负电 　　■若该半导体陶瓷是Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降 　　 ■若该半导体陶瓷为Ｎ型半导体，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽， 同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。 它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降 　　不论是Ｎ型还是Ｐ型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降 几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性 2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。 　　当水分子附着半导体陶瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。 　　通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高， 必将引起总电阻值的明显升高。 Fe3O4半导体陶瓷的正湿敏特性 半导体陶瓷材料的导电机理分类 几种典型陶瓷湿敏传感器（自学） （1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好 MgCr2O4-TiO2陶瓷 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器感湿特性 （2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构 陶瓷式电阻湿敏传感器的特点 传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却； 陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性； 可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。 高分子式电阻湿敏传感器 利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的。 当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间凝聚呈液态水状态。 在低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高； 当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子