3.3湿敏传感器.ppt

* 3.3 湿敏传感器 精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。 湿度传感器依据使用材料分类： 电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。 一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。 1、质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为： 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为： 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。 2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度 绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为： m ——待测空气中水蒸气质量；V ——待测空气的总体积； ρv——待测空气的绝对湿度。 二、感湿特征量（相对湿度特性） 水分子中的氢原子具有很强的正电场。当水在半导瓷表面附着时，就可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是Ｐ型的，则由于水分子的吸附使表面电势下降，这类材料就是负特性湿敏半导瓷。 对于N半导瓷，由于水分子附着同样会使表面电势下降；如果表面电势下降比较多，不仅使表面的电子耗尽，同时将大量的空穴吸引到表面层，以至有可能达到表面层的空穴浓度高于电子浓度的程度，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对电导做出贡献。水分子的附着同样可以使N型半导瓷材料的表面电阻下降。 由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都可随湿度的增加而下降。 三、湿度传感器 1、电解质湿度传感器 氯化锂是典型的离子晶体。其湿敏机理可如下解释：高浓度的氯化锂溶液中，Li和Cl仍以正、负离子形式存在；而溶液中的离子导电能力与溶液的浓度有关。实践证明，溶液的当量电导随着溶液的增加而下降。当溶液置于一定温度的环境中时、若环境的相对湿度高，溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。 2、半导瓷湿敏电阻 利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽；工作温度高；响应时间较短；精度高；抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。 1－ZnO-LiO2-V2O5系 2－Si-Na2O-V2O5系 3－TiO2-MgO-Cr2O3系 2、半导瓷湿敏电阻 利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽；工作温度高；响应时间较短；精度高；抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。 （1）结构 陶瓷湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。 陶瓷湿敏元件结构图 护圈电极 感湿陶瓷 氧化钌电极 加热器 基板 电极引线 （2）电阻－湿度特性 MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。 3、湿敏电容 电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。所以根据电容量的变化可测得相对湿度。 相对湿度/% 0 50 100 200 250 300 350 电容—湿度特性 C/pF （f=1.5MHZ） 电容—湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加，基本上呈线性关系。 湿敏电容外形