《传感器技术及应用》课件项目4.pptx

项目四湿度传感器

任务一项目学习引导

任务二婴儿尿湿报警器

任务三湿度测试仪

任务一项目学习引导

内容一基本概念

随着现代生产技术的发展及人们生活条件的提高，湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。

1.绝对湿度

绝对湿度是指单位体积的气氛中含水蒸气的质量，其表达式为

式中：my为待测气氛中的水汽质量，V为待测气体的总体积。

2.相对湿度(RH)

相对湿度为待测气氛中水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压(即绝对湿度)的比值的百分数。这是一个无量纲量，

常表示为%,其表达式为

×100%RH

式中：Pv为某温度下待测气体的水汽分压，Pw为与待测气体温度相同时饱和水汽分压。

3.露点

在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露。此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于0℃,水汽将凝结成霜，

此时称其为霜点。通常对两者不予区分，统称为露点，其单位为℃。

湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环

境湿度转变为电信号的能力。其主要特性有以下几点：

(1)感湿特性。

(2)湿度量程。

(3)灵敏度。

(4)湿滞特性。

(5)响应时间。

(6)感湿温度系数。

(7)老化特性。

相对湿度/(%)

图4-1湿度传感器的感湿特性

图4-2湿度传感器的湿滞特性

综上所述，一个理想的湿度传感器应具备的性能和参数

如下：

(1)使用寿命长，长期稳定性好。

(2)灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好。

(3)使用范围宽，湿度、温度系数小。

(4)响应时间短。

(5)湿滞回差小。

(6)能在有害气氛的恶劣环境中使用。

(7)一致性和互换性好，易于批量生产，成本低廉。

(8)感湿特征量应在易测范围内。

内容二温度传感器的分类及选用

1.陶瓷型湿度传感器

1)MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器

MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化。其结构如图4-3所示。

MgCr₂O₄-TiO₂感湿陶瓷

陶瓷基片

镍铬丝

加热清洗线圈

杜美丝引出线

金短路环

图4-3MgCr₂O₄-TiO₂湿度传感器结构示意图

2)ZrO₂系厚膜型湿度传感器

由于烧结法制成的烧结体型陶瓷湿度传感器结构复杂，工艺上一致性差，特性分散。近来，国外开发了厚膜型湿度传感器，不仅降低了成本，而且提高了传感器的一致性。

1—电极引线；2—印制的ZrO₂感湿层(厚为几十微米);3—瓷衬底；

4—由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜；5—用丝网印刷法印制的Au梳状电极

图4-4ZrO₂湿度传感器的结构示意图

2.有机高分子传感器

1)高分子电阻式湿度传感器

高分子电阻式传感器的工作原理是：由于水吸附在能作为电解质电解产生正、负离子的有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生荷电离子，所以电阻值较高。相对湿度增加时，吸附量也增加，集团化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子对主要起到载流子作用，

这就使高分子湿度传感器的电阻值下降。

2)高分子电容式湿度传感器

高分子电容式湿度传感器是在高分子材料吸水后，元器件的介电常数随环境相对湿度的变化而变化，从而引起电容的变化。元器件的介电常数是水与高分子材料两种介电常数的总和。当含水量以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数(3～6)远远小于水的介电常数

(81),所以介质中水的成分对总介电常数的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能。高分子电容式湿度传感器的结构如图4-5所示。

1—微晶玻璃衬底；2—下电极；3—敏感膜；4—多孔浮置电极；5—引线

图4-5高分子电容式湿度传感器的结构示意图

3)结露传感器

结露传感器利用了掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后的膨胀现象。在高湿下，高分子材料的膨胀引起其中所含碳粉间距变化而产生电阻突变。利用这种现象可制成具有开关特性的湿度传感器。其特性如图4-6所示。

相对灵敏度φ/%)

图4-6结露传感器的特性曲线

3.半导体湿度传感器

半导体湿度传感器品种也很多，这里以硅MOS型Al₂O₃湿度传感器为例来说明其结构与工艺。由于传统的Al₂O₃湿度传感器气孔形状大小不一，分布不匀，所以一致性差，存在着湿滞大、一老化、性能漂移等缺点。硅MOS型Al₂O₃湿度传感器是在Si单晶上制成MOS晶体管。其栅极是用热氧化

法生长厚度为80nm的SiO₂膜，在此SiO₂膜上用蒸