教学课件：《传感器原理及应用技术》(第三版)刘靳.ppt

图9.11　厚膜混合电路气体传感器的结构 　9.2　湿敏传感器9.2.1　湿度及其表示　　空气中含有水分的多少，即空气的干湿程度，叫湿度。　　湿度有多种表示方法，例如绝对湿度、相对湿度、露(霜)点温度、比湿度、饱和度等。常用的空气湿度有三种表示方法。　　1. 绝对湿度(AH, Absolute Humidity)　　绝对湿度表示单位体积(即1 m3)的空气中所含水气的质量，其定义式为 　　2. 相对湿度(RH，Relative Humidity)　　相对湿度定义为待测空气的水气分压与相同温度下水的饱和水气压的百分比，其定义式为　　相对湿度也可定义为气体的绝对湿度Pa与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度Ps的百分比，其定义式为　　目前应用最多的是相对湿度。 　　3. 露点温度　　保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度(单位为℃)，通常简称为露点。空气的相对湿度越高，就越容易结霜。混合气体中的水蒸气压，就是在该混合气体中露点温度下的饱和水蒸气压，因此，通过测定空气露点的温度，就可以测定空气的水蒸气压。 9.2.2　对湿敏传感器的基本要求　　湿敏传感器通常应满足如下要求：　　(1) 能满足所要求的湿度测量范围，且响应迅速。　　(2) 在各种气体环境中特性稳定。　　(3) 受温度的影响小，能在－30℃～100℃的环境温度中使用。　　(4) 不受尘埃附着的影响。　　(5) 工作可靠，互换性好，使用寿命长。　　(6) 制造简单，价格便宜。 9.2.3　电阻式湿敏传感器　　电阻式湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性(如电阻值)随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的。在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。　　图9.12所示为在玻璃带上浸有氯化锂溶液的浸渍式湿敏元件。湿敏元件的基片材料为无碱玻璃带。将该玻璃带浸在乙醇中，除去纤维表面上附着的收集剂，将两片变成弓字形 的铂箔片夹在基片材料的两侧作为电极。图9.12中右面所示为湿敏元件的外形图。元件的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化。图9.13为这种湿敏元件的电阻-相对湿度特性。通过测定电阻，便可知道相对湿度。由图9.13可知，在50%～80%的相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量范围，可以将几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合使用。例如，用浸渍1%～1.5%(重量)浓度氯化锂的湿敏元件可检测相对湿度在20%～50%范围内的湿度，而用浸渍0.5%(重量)浓度氯化锂的湿敏元件可检测相对湿度在40%～80%范围内的湿度。这样，将这两支湿敏元件配合使用，就可以检测相对湿度在20%～80%范围内的湿度。 图9.12　玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的结构 图9.13　玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的电阻-相对湿度特性 9.2.4　陶瓷湿敏传感器　　陶瓷湿敏传感器是近年来正在大力发展的一种新型传感器。由金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两类。　　在离子型湿敏元件中，由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用(毛细凝聚作用)，在潮湿气氛中呈现出H+离子，使元件的电导率增加。这类传感器已有两种处于实用阶段：一种以α-Fe2O3及K2CO3为主要成分，另一种以ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。前一种传感器的电阻与湿度的关系如图9.14所示。 图9.14　陶瓷湿敏传感器的电阻与湿度的关系 　　电子型湿敏元件是利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变的原理制成的。元件的电导率是增加还是减小，取决于氧化物半导体是N型还是P型。氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器，其结构如图9.15所示。 　　陶瓷湿敏传感器的优点是：湿度滞后小，响应速度不超过10～15 s，便于批量生产。但其长期可靠性较差，易受环境温度影响等缺点仍待克服。 图9.15　氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构　　 9.2.5　电容式湿敏传感器　　电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这里介绍两种薄片状电容式湿敏传感元件。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸湿性电介质材料(感湿材料)主要有高分子聚合物(例如乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素)和金属氧化物(例如多孔氧化铝)等。由吸湿性电介质材料构成的薄片状电容式湿敏传感器