chapter8固态传感器湿敏090808.ppt

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1、Chapter 8 固态传感器,8.5 湿度传感器,8.5 湿度传感器,湿度检测的意义在工业生产中，湿度测控关系到产品的质量。精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，湿度的测控就显得更加重要。湿度测控在气象预报、医疗卫生、食品加工、家用电器、农林牧等行业都有广泛的应用。,8.5 湿度传感器,湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无

2、量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。,8.5 湿度传感器,湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其它物理量的检测困难的原因：因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。,8.5 湿度传感器,对湿敏器件的要求：在各种气体环境下稳定性好，寿命长；满足要求的湿度测量范围，有较快的响

3、应速度；在各种气体环境中特性稳定，不受尘埃、油污附着影响；能在30100的环境温度下使用，受温度影响小；互换性好、制造简单、价格便宜；微型化、集成化是湿敏器件的发展方向。,8.5 湿度传感器,传统的方法是露点法、毛发膨胀法和干湿球温度测量法。石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等。陶瓷湿敏电阻。,8.5 湿度传感器,8.5.1 湿度表示法 8.5.2 电解质湿度传感器8.5.3 陶瓷湿度传感器8.5.4 高分子湿度传感器8.5.5 湿度传感器的测量电路,8.5.1 湿度表示法,空气(或气体)中水水蒸气的量称为湿度。湿度的表示方法：质量百分比和体积百分比相对湿度和绝对湿度露点（霜

4、点）,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：mM100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：vV100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(e)。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(es)。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：,2.相对湿度和绝对湿度,如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合

5、气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：e：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；T：空气的绝对温度。,3.露（霜）点,水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100RH。该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于0时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。,3.露（霜）点,图1 温度相对湿度

6、 露点的对应关系,8.5.2 电解质湿度传感器,以氯化锂为例，它是在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。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，如图2所示。,图2 湿敏电阻结构示意图,8.5.2 电解质湿度传感器,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。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

7、率下降，从而实现对湿度的测量。,8.5.2 电解质湿度传感器,氯化锂湿敏元件的电阻湿度特性曲线如图3所示。,图3 氯化锂湿度电阻特性曲线,8.5.2 电解质湿度传感器,由图可知，在50%80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂（LiCl）含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为（10%20%）RH、（20%40%）RH、（40%70%）RH、（70%90%）RH和（80%99%）RH五种器件配合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达%，但其耐热性差，不能用于露点以下

8、测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。,8.5.3 陶瓷湿度传感器,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(以下简称半导瓷)。,8.5.3 陶瓷湿度传感器,1 引线2 多孔性电极3 多孔陶瓷4 加热丝5 底座6 塑料外壳7 引脚,图4 陶瓷湿度传感器结构图,8.5.3 陶瓷湿度传感器,核心部分是用铬酸镁氧化钛等金属氧化物以高温烧结的工

9、艺制成的多孔陶瓷半导体。它的气孔率高达25%以上，具有lm以下的细孔分布。与日常生活中常用的结构致密陶瓷相比，其接触空气的表面显著增大，所以水蒸气极易被吸附于其表层及其孔隙之中，使其电导率下降，当相对湿度从1%RH变化到95%RH时，其电阻率变化高达4个数量级以上。所以在测量电路中必须考虑采用对数压缩手段。,负特性湿敏半导瓷的导电机理,由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有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，于是，其表面层的电阻下降。若该半导瓷为型，则由于水分子的附着使表面

10、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。,负特性湿敏半导瓷的导电机理,因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是型还是型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。图4表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。,图 4 几种半导瓷湿敏负特性,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。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表

11、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。,正特性湿敏半导瓷的导电机理,如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过，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。但是，由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。,图5 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性,正特性湿敏半导瓷的导电机理,图5给出了Fe3O

12、4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。从图4与图5可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约一倍。,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为型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，结构如图6所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采

13、用铂铱合金。,图6 MgCr2O4-TiO2陶瓷,1.MgCr2O4-TiO2湿敏元件,图7 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器相对湿度与电阻的关系,1.MgCr2O4-TiO2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，其结构如图8所示。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。,2.ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件,图8 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构,2.ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件

14、,湿敏器件四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成，器件构造如图9所示。基片材料选用滑石瓷，光洁度为1011，该材料的吸水率低，机械强度高，化学性能稳定。,3.四氧化三铁（Fe3O4）,图9 Fe3O4湿敏元件构造,3.四氧化三铁（Fe3O4）,基片上制作一对梭状金电极，最后将预先配制好的Fe3O4胶体液涂覆在梭状金电极的表面，进行热处理和老化。Fe3O4胶体之间的接触呈凹状，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，当空气相对湿度增大时，Fe3O4胶膜吸湿，由于水分子的附着，强化颗粒之间的接触，降低粒间的电阻和增加更多的导流通路，所以元件阻值减小。当处于干燥环境中，胶膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增

15、大。当环境温度不同时，涂覆膜上所吸附的水分也随之变化，使梭状金电极之间的电阻产生变化。,3.四氧化三铁（Fe3O4）,图10为国产MCS型Fe3O4湿敏器件的电阻-湿度特性。,图10 MCS型Fe3O4湿敏器件的,图 11 MCS型Fe3O4湿敏器件的,3.四氧化三铁（Fe3O4）,图11为国产MCS型Fe3O4湿敏器件的温度-湿度特性。,3.四氧化三铁（Fe3O4）,Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度-湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程（60%RH98%RH）需要2min，脱湿过程（98%RH1

16、2%RH）需57 min。,8.5.3 陶瓷湿度传感器,注意事项由于多孔陶瓷置于空气中易被灰尘、油烟污染，从而使感湿面积下降，如果将湿敏陶瓷加热到400以上，就可使污物挥发或烧掉，使陶瓷恢复到初期状态。所以必须定期给加热丝通电，陶瓷湿敏传感器吸湿快(10s左右)，而脱湿要慢许多，从而产生滞后现象，称为湿滞。当吸附的水分子不能全部脱出时，会造成重现性差及测量误差。有时可用重新加热脱湿的办法来解决。,8.5.3 陶瓷湿度传感器,注意事项陶瓷湿敏传感器的湿度电阻的标定比温度传感器的标定困难得多，误差大，稳定性也较差，使用时还应考虑量度补偿(温度每上升l，电阻下降引起的误差约为0.1%RH)。陶瓷湿敏

17、电阻应采用交流供电。若长期采用直流供电，会使湿敏材料极化，吸附的水分于电离，导致灵敏度降低，性能变坏。,8.5.4 高分子湿度传感器,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。,8.5.5 湿度检测电路,8.5.5.1 测量电路的选择 8.5.5.2 典型的测量电路,1.电源选择,一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返

18、运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。交流电源的频率选择是在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。,2.温度补偿,湿度传感器具有正或负的温度系数，其温度系数大小不一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。对于半导体陶瓷传感器，其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系，通常其温度关系属于NTC型，即H：相对湿度；T：绝对温度；R0：在T=0相对湿度H=0时的阻值；A：湿度常数；B：温度常数。,2.温度补偿,若传感器的湿度温度系数为0.07RH/，工作温

19、度差为30，测量误差为0.21RH/，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为0.4RH/，则引起12RH/的误差,必须进行温度补偿。,3.线性化,湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。,8.5.5.2 典型的测量电路,1.电桥电路振荡器对电路提供交流电源。电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示。振荡器和放大器都由9V直流电源供给。电桥法适合于氯化锂湿度传感

20、器。,电桥测湿电路框图,2.便携式湿度计的实际电路,3.欧姆定律电路,此电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器，可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。其电路图如图。,4.带温度补偿的湿度测量电路,在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿，常常采用运算放大器构成湿度测量电路。下图为湿度测量电路中Rt是热敏电阻器(20k，B=4100K)；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904。该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在(3090)RH、1535范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3RH。,4.带温度补偿的湿度测量电路,The End,