【教学课件】第8章半导体传感器.ppt

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1、第8章 半导体传感器,8.1 半导体温度传感器8.2 半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器 8.4 半导体磁敏传感器,8.1 半导体温度传感器,8.1.1 接触型半导体传感器 1.半导体热敏电阻 1）半导体热敏电阻的主要参数及其特性 热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件,一般用半导体材料做成,属体型元件。它的主要特点如下:(1)灵敏度高,其电阻温度系数要比金属大10100倍以上,能检测出10-6温度变化。,(2)小型,元件尺寸可做到直径为0.2mm,能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。(3)使用方便,电阻值可在0.1100k之间任意选择。半导体热敏电阻的工作原

2、理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）,越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化,根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。,热敏电阻的主要参数有:标称阻值RH 在环境温度为(250.2)时测得的阻值,也称冷电阻,单位为。电阻温度系数t 热敏电阻的温度每变化1时,阻值的相对变化率,单位为%/。如不作特别说明,是指20时的温度系数。,(8.1),式中,R为温度为T(K)时的阻值。,时间常数 它是指热敏电阻从温度为T0的介质中突然移入温度为T的介质中,热敏电阻的温度升高T=0.63(T-T0)所需的时间,单位为s。它表征热敏电阻加热

3、或冷却的速度。散热系数H 它是指热敏电阻自身发热使其温度比环境温度高出1所需的功率,单位为W/或mW/。它取决于热敏电阻的形状、封装形式以及周围介质的种类。,最高工作温度Tm 它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度,在该温度下,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。热敏电阻主要有三种类型,即正温度系数型（PositiveTemperatureCoefficient）（简称PTC型）、负温度系数型（NegativeTemperatureCoefficient）（简称NTC型）和临界温度系数型（CriticalTemperatureResistor）（简称CTR型）。它们的电阻特性如图8

4、.1所示。,图8.1 半导体热敏电阻的温度特性,正温度系数（PTC）型热敏电阻是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大,其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变,有斜率最大的区段,通过成分配比和添加剂的改变,可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里,例如加入适量铅其居里温度升高;若将铅换成锶,其居里温度下降。,如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体,还可以制成临界型（CTR）热敏电阻,它是负温度系数型,但在某个温度范围里阻值急剧下降,曲线斜率在此区段特别陡峭,灵敏度

5、极高,其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警电路中。负温度系数（NTC）型半导体热敏电阻研究最早,生产最成熟,是应用最广泛的热敏电阻之一,通常是一种氧化物的复合烧结体,特别适合于-100300C之间的温度测量,其色标标记为绿色。其阻值与温度的关系为,(8.2),式中,R为温度T时的阻值,单位为;T为温度,单位是K;A,B为取决于材质和结构的常数,其中A的量纲为,B的量纲为K。由上面的关系式不难得到下式,(8.3),式中,R为任意温度T时热敏电阻的阻值,T为任意温度K,R0为标准温度T0K时的阻值,B称为负温度材料系数也称为B常数。,(8.3)式是经验公式,实验表明,无论是用氧化物还是用单

6、晶做成的热敏电阻,在不太宽的温度范围内(小于400)都能用上式描述。这里应该指出,B常数不是固定值,是温度T的函数,即B=f(T),不同厂家生产的热敏电阻B值都不一样,从公式(8.3)可求出B常数,(8.4),如果被测温度比较低,而且不需要很高的精度时,一般把B看成一个常数,求出温度或热敏电阻的阻值。这时计算温度的公式为,(8.5),根据(8.2)式,我们可以求出热敏电阻的温度系数为,(8.6),图8.2 B常数的温度特性,热敏电阻的温度系数随温度减小而增大,所以低温时热敏电阻温度系数大,所以灵敏度高,故热敏电阻常用于低温（-100300C）测量。在稳态情况下,热敏电阻上的电压和通过的电流之间

7、的关系,称为伏安特性。热敏电阻的典型伏安特性如图8.3所示。从图中可见,在小电流情况下,电压降和电流成正比,这一工作区是线性区,这一区域适合温度测量。随电流增加,电压上升变缓,曲线呈非线性,这一工作区是非线性正阻区。当电流超过一定值以后,曲线向下弯曲出现负阻特性,称为负阻区。,图8.3 热敏电阻的伏安特性,流过热敏电阻的电流与时间的关系,称为安时特性,如图8.4所示。它表示热敏电阻在不同电压下,电流达到稳定最大值所需要的时间。对于一般结构的热敏电阻,其值均在0.51s之间。,图8.4 热敏电阻的安时特性,NTC型热敏电阻主要由Mn、Co、Ni、Fe等金属的氧化物烧结而成,通过不同材质组合,能得

8、到不同的电阻值R0及不同的温度特性。目前半导体热敏电阻还存在一定缺陷,主要是互换性和稳定性还不够理想,虽然近几年有明显改善,但仍比不上金属热电阻,其次是它的非线性严重,且不能在高温下使用,因而限制了其应用领域。,2）热敏电阻温度传感器 热敏电阻测温的基本电路 为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号,需要考虑它的直线性和自身加热问题。图8.5表示热敏电阻的基本联接电路。对于负温度系数的热敏电阻(NTC型)当温度上升时,热敏电阻的阻值变小,输出电压Uout上升。在0100C温度范围内有如下关系:,(8.7),图 8.5,从公式(8.3)可知,温度和热敏电阻的阻值之间有非线性特性。为了改善它的直

9、线性,适当调整Rs值,使得特性曲线通过0C、50C、100C三个温度点。从Uout(50)2=Uout(0)+Uout(100)的关系,利用各点热敏电阻的阻值可求出Rs值,(8.8),如果热敏电阻的三个温度点的阻值各为 RTh0=30.0k;RTh50=4.356k;RTh100=1.017k 代入公式（8.8）后得到Rs=3.322k。图8.6为图8.5所示电路的温度和输出功率特性。其中特性百分比表示不同温度下，电源输出功率与100C时输出功率的百分比。另外,考虑到自身加热问题,由于加在热敏电阻上的电功率和阻值变化的关系为,(8.9),图8.6 温度和输出功率特性,图8.7 温度与自身加热电

10、功率的特性,为了在较宽的范围内实现线性化,可采用模拟电路参数设定法:把热敏电阻传感器接入图8.8所示电路中的RT位置上,则电路输出电压为,将（8.3）式代入上式得,图 8.8,联立以上各式及（8.3）式(（改写为,解得,在设计电路参数时,若选择,可使上式分母中前三项的代数和等于零,则有,即得到了输出电压Uo与被测温度T成线性的关系式。,图8.9 线性化电路,利用两个热敏电阻,求出其温度差的电路 测量温度差的电路是充分利用热敏电阻高灵敏度的一个例子。在温度测量中,测量温度的绝对值一般能测量到0.1C左右的精度,要测到0.01C的高精度是很困难的。但是,如果在具有两个热敏电阻的桥式电路中,在同一温

11、度下,调整电桥平衡,当两个热敏电阻所处环境温度不同,测量温度差时,精度可以大大提高。,图8.10示出这种求温度差的电路图。图（a）电路的测温范围较小,而且两个热敏电阻的B常数应该一致,但灵敏度高;图（b）电路的测温范围较大,而且对B常数一致性的要求也不严格,因为它们可以用Rs来适当调整。,图8.10 求温度差的桥式电路,2.PN结型热敏器件 利用半导体二极管、晶体管、可控硅等的伏安特性与温度的关系可做出温敏器件。它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。此外,线性较好且价格低廉,在不少仪表里用来进行温度补偿。特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护,也常用于简单的温度显示和控制。不过由于PN结受

12、耐热性能和特性范围的限制,只能用来测量150C以下的温度。,分立元件型PN结温度传感器也存在互换性和稳定性不够理想的缺点,集成化PN结温度传感器则把感温部分、放大部分和补偿部分封装在同一管壳里,性能比较一致而且使用方便。1)晶体二极管PN结热敏器件 根据半导体器件原理,流经晶体二极管PN结的正向电流ID与PN结上的正向压降UD有如下关系,（8.10）,式中,q为电子电荷量,k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,Is为反向饱和电流。它可写为,(8.11),式中,qUg0为半导体材料的禁带宽度;B和为两个常数,其数值与器件的结构和工艺有关。将(8.10)式取对数并考虑到(8.11)式,得,对上式两边取导

13、数,得到PN结正向压降对温度的变化率为,从以上二式得到温度灵敏度为,(8.12),硅二极管正向电压的温度特性如图8.11所示。显而易见,在40300K之间有良好的线性。当正向电流一定时,二极管的种类不同,其温度特性也不同,正向电流变化时,温度特性也随之变化。二极管测温电路如图8.12所示。利用二极管VD、R1、R2、R3和RW组成一电桥电路,再用运算放大器把电桥输出电信号放大并起到阻抗变换作用,可提高信号的质量。,图8.11 硅二极管正向电压的温度特性,图8.12 二极管测温电路,2)晶体三极管温度传感器 根据晶体管原理,处于正向工作状态的晶体三极管,其发射极电流和发射结电压能很好地符合下面关

14、系,式中,IE为发射极电流,UBE为发射结压降,Ise为发射结的反向饱和电流。因为在室温时,kT/q=36mV左右,因此,在一般发射结正向偏置的条件下,都能满足UBEkT/q的条件,这时上式可以近似为,（8.13）,对上式取对数,得,(8.14),令,=常数,则,(8.15),由上式可知,温度T与发射结压降UBE有对应关系,我们可根据这一关系通过测量UBE来测量温度T值,且在温度不太高的情况下,两者近似成线性关系,其灵敏度为,常数,图8.13为硅半导体晶体管的基极发射极间电压UBE和集电极电流IC关系的温度特性。图8.14为晶体管温度传感器用作电子体温计的原理图及其输出特性。在050C的范围内

15、,输出电压变化为0-1V,测温精度不低于0.05C。,图8.13 UBE与IC的温度特性,图8.14 晶体管体温计原理图及测温输出特性,3)可控硅热敏开关 结型热敏器件另一种类型是利用可控硅元件的热开关特性制成的可控硅热敏开关,是一种无触点热开关元件。当元件处于关态时,流过阳极与阴极之间的电流ID为,式中,IG为流过阳极与栅接触电阻的旁路选通电流;a1为空穴电流增长率，a2为电子电流增长率，IC0为集电极截止电流。,当截止电压一定时,随温度的上升,热激电子空穴对成指数增加,使IC0增大,a1和a2也增大。当温度达到一定值,使a1+a2=1时,元件即由截止状态转换为导通状态。图8.15为可控硅热

16、敏开关元件的开关电压与开关温度之间的关系特性。可控硅热敏开关元件具有温度传感和开关两种特性,开关温度可通过调整栅极电阻上的外加电压进行控制,导通状态具有自保持能力,并能通过较大电流。,图8.15 可控硅热敏开关元件的温度特性,图8.16为可控硅热敏开关元件（TThy）用于控温的原理图。在设定温度下处于关闭状态,设定温度由VR调整。由于RC电路的相移作用,流经C1,R1,R2的电流相位较电源电压超前,故可控硅管（SCR）V从电源的零相位开始导通,并向负载提供半波电功率。当温度超过设定温度时,可控硅热敏开关（TThy）导通致使可控硅管（SCR）V截止,从而达到控温作用。,图8.16 可控硅热敏开关

17、元件用于控温的原理图,图8.17 全波式温控电路,表8.1 可控硅热敏开关的应用范围,3.集成（IC）温度传感器 集成电路（IC）温度传感器是近期开发的,把温度传感器与后续的放大器等用集成化技术制作在同一基片上而成的,集传感与放大为一体的功能器件。这种传感器,输出特性的线性关系好,测量精度也比较高,使用起来方便,越来越受到人们的重视。它的缺点是灵敏度较低。,IC传感器的基本特性如下：（1）可测得线性输出电流（1A/C）。（2）检测温度范围广(-55150C)。（3）测量精度为1C。（4）无调整时也可使用。（5）直线性很好,满量程非线性偏离:0.5C。（6）使用电源范围广（+4+30V）。,IC

18、温度传感器的设计原理是,对于集电极电流比一定的两个晶体管,其UBE之差UBE与温度有关。由（8.14）式知,发射结压降与发射极电流IE及反向饱和电流Ise有关,两个晶体管的发射结正向压降分别为,则两个晶体管发射结压降差,（8.16）,(8.16）式表明UBE与绝对温度T成正比。选择特性相同的两个晶体管,则Ise1=Ise2,两个晶体管的电流放大系数也应相同,当两个晶体管的集电极电流分别为IC1、IC2时,（8.17）,UBE经后级放大器放大后,可使传感器的输出随温度产生10mV/的变化量。IC温度传感器按输出方式可分为电压输出型和电流输出型。图8.18为电压输出型IC温度传感器原理图。图中V1

19、、V2为集电极电流分别为I1、I2的两个性能相同的晶体管。图8.19为放大器的原理框图。,图8.18 电压输出型IC温度传感器原理图,图8.19 电压输出型IC温度传感器放大器的原理框图,图8.20 电流输出型IC温度传感器原理图,电流输出型IC温度传感器原理图如图8.20所示。从图中不难看出:UBE1=UBE2;IC3=IC4 C设计时,取V3发射极面积为V4发射极面积的8倍,于是根据式(8.17)得电阻R上的电压输出为,图中集电极电流由UT/R决定,电路中流过的电流为流过R的电流的2倍。取R=358,则可获得灵敏度为1A/K的温度传感器。,IC温度传感器的一大特点是应用起来很方便。图8.2

20、1表示最简单的绝对温度计（开耳芬温度计）。如果把它的刻度换算成摄氏、华氏温度刻度时就可以做成各种温度计了。图8.22表示用串联电路时测量低温度的电路图。图8.23表示用并联电路时测量平均温度值的电路图。,图8.21 开耳芬温度计,图8.22 低温测量温度计,图8.23 测量平均温度的电路图,4.半导体光纤温度传感器 光纤的特征是对电、磁及其他辐射的抗干扰性好,而且细、轻、能量损失少。因此,利用光纤做的传感器,在恶劣的环境下也能正常工作。图8.24表示各种半导体禁带宽度的温度特性,从图中可看出,半导体的禁带宽度Eg随温度T增加近似线性地减小。因此,半导体吸收边波长g（g=ch/EG,式中,c为光

21、速,h为普朗克常数）随温度增加而向长波长方向位移,如图8.25所示。利用半导体材料的光吸收与温度的关系,可以构成透射式光纤温度传感器。,图8.24 各种半导体禁带宽度的温度特性,图8.25 半导体材料的吸收特性,图8.26（a）为测量原理图。在输入光纤和输出光纤之间夹一片厚度约零点几毫米的半导体材料,并用不锈钢管加以固定,如图8.26(b)所示。,图8.26 半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理图,选择适当的半导体发光二极管LED,使其光谱范围正好落在吸收边的区域。半导体材料的光吸收,随着吸收边波长变短而急剧增加,直到光几乎不能透过半导体。相反,波长比g长的光,半导体透过率就高。由此可见,半导

22、体透射光强随温度的增加而减少。用光电探测器检测出透射光强的变化,并转换成相应的电信号,便能测量出温度。为了进一步提高传感器的稳定性及抗干扰能力,并提高测量精度,可采用以下两种方法。,1）双光纤参考基准通道法 其结构框图如图8.27所示。光源采用GaAlAs-LED,半导体吸收材料CdTe或GaAs作为测量元件。探测器选用Si-PIN发光二极管。从图中可看出,此方案与前一方案的区别在于增加了一条参考光纤及相应的探测器。由于采用了参考光纤和除法器,消除了干扰,提高了测量精度。这种温度计测温范围为-40120C,精度为1C。,2）双光源参考基准通道法 图8.28为测温示意图。发光二极管LED（AlG

23、aAs,1=0.88m;InGaAsP,2=1.27m）交替地发出光脉冲,经耦合器送入光纤探头,每个光脉冲的宽度为10ms。半导体GdTe(或GaAs)对一只LED发射波长为1的光的吸收与温度有关,而对另一只LED发出的波长为2的光几乎不吸收,这样可以作为参考光,经Ge-APD光电探测器送入采样保持电路,得到正比于脉冲幅值的直流信号,最后采用除法器获得温度信号。该温度计测温范围为-10300C,精度为1C。,图8.27 双光纤参考基准通道法原理框图,图8.28 双光源参考基准通道法原理框图,8.1.2 非接触型半导体温度传感器 温度为T的物体对外辐射的能量E与波长的关系,可用普朗克定律描述,即

24、,（8.18）,式中,T为物体在温度T之下的发射率（也称为“黑度系数”,当T=1时物体为绝对黑体）;C1为第一辐射常数（第一普朗克常数）,C1=3.741810-16 Wm2;C2为第二辐射常数（第二普朗克常数）,C2=1.438810-2 mK。,根据斯特藩-玻耳兹曼定律,将上式在波长自0到无穷大进行积分,当T=1时可得物体的辐射能,(8.19),此处,b是黑体的斯特藩-玻耳兹曼常数,b=5.710-8Wm-2K-4;Tb是黑体的温度。,一般物体都不是“黑体”,其发射率T不可能等于1,而且普通物体的发射率不仅和温度有关且和波长有关,即T=T(T),其值很难求得。虽然如此,辐射测温方法可避免与

25、高温被测体接触,测温不破坏温度场,测温范围宽,精度高,反应速度快,即可测近距离小目标的温度,又可测远距离大面积目标的温度。辐射能与温度的关系通常用实验确定。,黑体的辐射规律之中,还有维恩位移定律,即辐射能量的最大值所对应的波长m随温度的升高向短波方向移动,用公式表达为,(8.20),利用以上各项特性构成的传感器,必须由透镜或反射镜将物体的辐射能会聚起来,再由热敏元件转换成电信号。常用的热敏元件有热电堆、热敏或光敏电阻、光电池或热释电元件。,透镜对辐射光谱有一定的选择性,例如光学玻璃只能透过0.32.7m的波长,石英玻璃只能透过0.34.5m的波长。热敏元件,尤其是光敏元件也对光谱有选择性。这样

26、就使得接收到的能量不可能是物体的全部辐射能,而只是部分辐射能。真正的全辐射温度传感器是不存在的。图8.29为热辐射温度计的原理框图。由光学系统接收来的被测物体的辐射能,经光调制盘进行调制后进入传感器,然后经同步整流取出信号,再经放大后输出。为了能够正确测量,还应对被测对象的发射率进行修正。,用热辐射传感器制成的温度计测温范围为(-50+3500),测量灵敏度为0.011K,精度为(0.52)%。红外热辐射传感器,从原理上又可分为热电型和光量子型。热电型是指由于辐射热引起元件温度的微小变化,导致电阻一类的物理量的变化,而达到测温的目的。这类传感器一般与波长无关。光量子型是利用光电效应制成的,因而

27、与波长有关。,图8.29 热辐射温度计的原理框图,热释电元件和压电陶瓷一样,都是铁电体,如铌酸锶钡、钛酸铅、铌酸钽等,除具有压电效应外,在辐射能量照射下也会放射出电荷。经高输入阻抗的放大电路放大之后,可得到足够大的电信号。但是在连续不断的照射下,它并不能产生恒定的电动势,必须对辐射进行调制,使成为断续辐射,才能得到交变电动势。因此,应该用交流放大电路。热释电元件的响应时间短,通常把它和场效应管封装在同一外壳里,辐射经锗或硅窗口射入,由场效应管阻抗变换后与放大电路配合。其结构和电路如图8.30所示。,图8.30 热释电辐射传感器,热释电元件多用于红外波段的辐射测温中。图8.30中只画出了管壳内部

28、电路,使用时还需配接放大器。由于管内已有阻抗变换,放大器设计比较简单,只需将交流信号放大到一定程度再解调成直流即可反映被测温度。光量子型传感器可以分为光导（PC）型、光电（PV）型、光电磁（PEM）型、肖特基（ST）型。PC型结构是电阻体光照后引起阻值变化;PV型为一PN结二极管,其耗尽层上由于光照射生成电子空穴对,检测由此产生的光电流;PEM型是利用PEM效应,即在加上电场及磁场的同时,由于光照而产生与光强成比例的感应电荷;而肖特基型是根据金属与半导体接触形成的肖特基势垒随光照而变化的原理制备的。,图8.31为它们的结构示意图。常用的红外传感材料有Ge、Si、PbS、HgCdTe、InSb等

29、。图8.32给出了它们相应的光谱特性。这类传感器因与波长有关,故测量温度存在下限,例如PbS为100以上,Si为400以上。,图8.31 光量子型红外传感器示意图(a)PC型；(b)PV型；(c）PEM型;（d）ST型,图8.32 红外传感器的光谱特性,8.2 半导体湿度传感器,8.2.1 湿度的定义 大气中含有水分的多少直接影响大气的干、湿程度。在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使用绝对湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度,式中,mV为待测混合气体中所含水蒸气的质量;V为待测混合气体的总体积;PV为待测混合气体的

30、绝对湿度,其单位为g/m3,以AH表示。为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前,普遍用相对湿度（缩写为RH）来表示湿度。所谓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PS的百分比,即满足如下关系:,（8.21）,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。,8.2.2 湿度传感器的主要参数 1.湿度量程 能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围称为湿度量程。湿度范围用相对湿度（0100）%RH表示,量程是湿度传感器工作性能的一项重要指标。,2.感湿特征量-相对湿度特性曲线 每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻

31、、电容、电压、频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线,称为相对湿度特性曲线,简称感湿特性曲线。通常希望特性曲线应当在全量程上是连续的且呈线性关系。有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为正特性湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称为负特性湿敏传感器。,3.感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿度传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度,简称灵敏度,又称湿度系数。感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性曲线是线性的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的;如果湿度传感器的特性曲

32、线是非线性的,则灵敏度的大小就与其工作的相对湿度范围有关。,4.温度系数 温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特征。感湿特征量随环境温度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。温度系数分为特征量温度系数和感湿温度系数。在环境湿度保持恒定的情况下,湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比,称为特征量温度系数。如感湿特征量是电阻,则电阻温度系数为,电阻温度系数（%/C）,式中,T为一个规定温度(25C)与另一规定环境温度之差;R1(C1)为温度为25C时湿度传感器的电阻值;R2(C2)为另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值。,感湿温度系数

33、（%RH/C）,式中,T为一个温度(25C)与另一规定环境温度之差;H1为温度为25C时湿度传感器的某一电阻值对应的相对湿度值;H2为另一规定环境温度下,湿度传感器的同一电阻值对应的另一相对湿度值。,5.响应时间 在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感湿特征量之值达到稳态变化量的规定比例所需要的时间称为响应时间,也称为时间常数。它反映了湿度传感器对于相对湿度发生变化时,其反应速度的快慢。一般是以相应于起始和终止这一相对湿度变化区间63%的相对湿度变化所需要的时间,叫响应时间,单位是s,也有规定从始到终90%的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大

34、多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间,一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。,6.湿滞回线 湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。由于吸湿和脱湿特性曲线不重合,对应同一感湿特征量之值,相对湿度之差称为湿滞量。湿滞量越小越好,以免给湿度测量带来难度和误差。,7.电压特性 用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引起感湿体内水分子的电解,致使电导率随时间的增加而下降,故测试电压应采用交流电压。湿度传感器感湿特征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特性。当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的特性会带来较大影响。8.频率特性

35、湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。在各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试频率而变化,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上限。当然,为防止水分子的电解,测试电压频率也不能太低。,9.其它特性与参数 精度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度的相对误差。工作温度范围表示湿度传感器能连续工作的环境温度范围,它应由极限温度来决定,即由在额定功率条件下,能够连续工作的最高环境温度和最低环境温度所决定。稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中,能保持原有性能的能力。一般用相对湿度的年变化率表示,即%RH/年。寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度,能够连续工作的最长时间。,湿度传感器器件 目前常用

36、的湿度传感器种类有:机械式湿度传感器,如利用脱脂处理后的毛发（现多改成竹膜、乌鱼皮膜、尼龙带等材料）,在空气相对湿度增大时毛发伸长,带动指针转动构成的毛发式湿度计等;由两个完全相同的玻璃温度计,其中一个感温包直接与空气接触,指示干球温度,另一感温包外有纱布且纱布下端浸在水中经常保持湿润,指示的是湿球温度,由干球温度和湿球温度之差即可换算出相对湿度的干湿球湿度计。,这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不够高,而且是非电信号的湿度测量,难以同电子电路和自动控制系统及仪器相联结。要研制和生产出高性能的湿度传感器,关键在于材料和工艺。根据所使用的材料的不同,湿度传感器分为电介质型、陶瓷型、高分子型

37、和半导体型等。这里只介绍半导体湿度传感器。从性能的总体来看,无论哪一种材料制成的传感器,都有它各自的特点,既有长处,也有短处,它们分别能满足某些方面的要求。近几年来出现的半导体陶瓷感湿元件、MOS型感湿元件和结型湿敏器件已达到较好水平,具有工作范围宽,响应速度快,耐环境能力强等特点,是当前湿度传感器的发展方向。,1.元素半导体湿敏器件 在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿性的元素半导体薄膜,可形成湿敏电阻器。湿敏传感器就是利用上述湿敏电阻器的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化的现象制成的。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件,锗的蒸发膜厚度约为10适用于高湿度的测量。

38、锗的湿敏器件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比较精确的测量结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化需要较长时间,并且器件的重复性差。,利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。就湿度特性来说,无定型硒蒸发膜湿敏器件比金属硒蒸发膜湿敏器件要好些,但就稳定性来说,却不如金属硒蒸发膜湿敏器件好。一般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸发膜的湿敏器件电阻值低,被测湿度范围较大,但它也有和锗膜湿敏器件同样的需要较长老化时间的缺点。,图8.33为硒蒸发膜湿度传感器的结构,在绝缘瓷管表面上镀一层铂膜,然后以细螺距将铂膜刻成宽约0.1cm的螺旋状,以此作为两个电极。在两个电极之间蒸发上硒,A

39、为铂电极,B为硒蒸发膜层。图8.34为硒蒸发膜湿度传感器的电阻-湿度特性。由于这种传感器不使用吸湿性盐和固定剂,所以能够在高温下长期连续使用。,图8.33 硒蒸发膜湿度传感器的结构,图8.34 硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系,2.金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件 在湿敏器件的发展过程中,由于金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗沾污的特点,而逐渐被人们所重视。因此,相继出现了各种半导体陶瓷湿敏器件。半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境下使用几万小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。半导体陶瓷湿敏器件,在对湿度的测量方面,可以检测1%RH这样的低湿状态,而且还具有响应快、精度高、使用温

40、度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗等各种优点。所以,半导体陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件的生产和应用中占有很重要的地位。,金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同可分为两大类:一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微粒堆积体称为陶瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器件,一般称为涂覆膜型湿度敏感器件。另一类陶瓷材料是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成具有典型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶瓷材料。它们共同的特点是多孔状的多晶烧结体。因此,有时也将它们称为烧结型陶瓷材料。,1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件 涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较

41、典型且性能较好的是Fe3O4湿度敏感器件。一般来说,像Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的材料。同时,Fe3O4比其它金属氧化物材料具有比较低的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4做湿敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。,把氯化铁和氯化亚铁按21的比例加水混合成溶液,然后加进NaOH,这时就沉淀出黑色Fe3O4。用纯水洗去杂质,可做成质量很好的Fe3O4胶体。这类器件的特点是物理特性和化学特性比较稳定,结构、工艺简单,测湿量程宽,重复性和一致性较好,寿命长,成本低等。Fe3O4和Al2O3湿度敏感器件材料就属于涂覆膜型湿度敏感器件材料。除此之外,作为涂覆膜型湿度敏

42、感器件材料的还有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。,图8.35 Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系,2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件 目前,从各国湿度传感器的产量中可以看出,约有50%以上是烧结型的,而厚膜和薄膜各占15%到20%。以不同的金属氧化物为原料,通过典型的陶瓷工艺制成了品种繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其性能也各有优劣。,多孔质烧结型陶瓷MgCrO4-TiO2湿敏器件的结构如图8.36所示。为避免底座上测量电极2、3之间因吸湿和污染而引起漏电,在测量电极2、3的周围设置了隔离环。图中1、4是加热器引出线。电极材料选用RuO2,这是因为所制成的RuO2电极具有多孔性,允许

43、水分子通过电极到达陶瓷表面,同时RuO2的热膨胀系数与陶瓷体相一致,附着力也比较好。另外,RuO2化学性能稳定。,图8.36 烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构,电极材料选用RuO2,这是因为所制成的RuO2电极具有多孔性,允许水分子通过电极到达陶瓷表面,同时RuO2的热膨胀系数与陶瓷体相一致,附着力也比较好。另外,RuO2化学性能稳定。电极的制作方法是将RuO2浆料用丝网印刷方法印刷在陶瓷体的上、下表面上,在800C下烧结15分钟,然后焊接出Pt-Ir引线。由于湿度传感器是裸露在大气中,所以在使用过程中不可避免地要吸收一部分油污和有害气体,这种污染会使传感器的灵敏度大大下降,甚至失效

44、。为使传感器再生复原以便重复使用,所以要在陶瓷感湿体的周围设置一个加热器。加热温度为450C,加热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿度传感器定时进行加热清洗。,MgCrO4-TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻-湿度特性、电阻-温度特性及响应时间特性如图8.37所示。从电阻-湿度特性看出,随着相对湿度的增加,电阻值急剧下降,基本按指数规律下降,当相对湿度由0变到100%RH时,阻值从107下降到104,即变化了三个数量级。从电阻-温度特性中可看出,从20C到80C各条曲线的变化规律基本一致,具有负温度系数,其感湿负温度系数为-0.38%RH/C。如果要精确测量湿度,对这种湿度传感器需要进

45、行温度补偿。从响应时间特性可知,响应时间小于10s。,图8.37 MgCrO4TiO2系陶瓷湿度传感器的特性(a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性,图8.37 MgCrO4TiO2系陶瓷湿度传感器的特性(a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性,3）厚膜陶瓷湿度传感器 以ZrO2系湿敏材料为例,厚膜湿度传感器主体部分结构如图8.38所示,是在氧化铝基片上印刷梳状电极,梳状电极相互交错排列并成平行线。,图8.38 厚膜湿度传感器主体部分结构图,传感器的电阻值与温度、湿度的关系,在常温下,相对湿度大于30%RH时,电阻值小于1M,当湿度从30%RH变化到

46、90%RH时,电阻值约变化三个数量级。温度对电阻-湿度特性有影响,低湿时影响较大,相对湿度不变的情况下,随着温度升高,电阻值变小。,厚膜湿度传感器使用的湿敏陶瓷材料除ZrO2系材料外,还有MnWO4系、NiWO4系等。厚膜湿度传感器由于阻值易调整,提高了产品的合格率;省掉贵重引线,使成本降低;由于膜比较薄,响应时间大大地加快;烧结温度低,节省了大量的能源;厚膜工艺易于大批量生产,提高了生产效率;不需要进行热清洗,体积小,重量轻,互换性好和易于集成化,目前备受人们关注。,4）薄膜湿度传感器 薄膜湿度传感器的结构一般有两种形式,一种是在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上沉积一层氧化物薄膜,然后在薄膜上再蒸发一

47、对梳状电极;另一种是先在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上,用真空蒸发方法制作下金电极,再用喷镀法或溅射法生成一层多孔质的氧化物薄膜,然后再在此薄膜上蒸发上金电极,为了让水蒸气顺利通过,金的厚度在70nm左右。薄膜湿度传感器的结构如图8.39所示。,图8.39 薄膜湿度传感器的结构,图8.40 Ta2O5薄膜湿度传感器的电容-湿度特性,制作薄膜湿度传感器的主要薄膜材料是Ta2O5和Al2O3。由于它们都具有很高的热稳定性和化学稳定性,因此用它们制成的湿度传感器能在很高的环境温度下工作。由于感湿膜很薄,响应时间很快（约13s）,特别适宜在高速湿度响应场合下使用。薄膜湿度传感器的感湿特征量往往都采用电容量,由

48、于纯水的介电常数比较大,当环境相对湿度增加时,薄膜湿度传感器所吸附的水分子增多,因而使电容量增大。图8.40是Ta2O5薄膜湿度传感器的电容湿度特性。它具有正电容湿度系数。,3多功能半导体陶瓷湿度传感器 随着微机的普及,产业和家庭电器方面的自动控制技术发展迅速,这就要求研究和生产更方便的各种传感器,其中对能够同时检测湿度、温度和气体的多功能传感器的呼声尤其高,比如,冷暖空调机的温度和湿度的控制,干燥机的温度控制和水分的检测,电子灶的温度、湿度和各种气体的检测方面越来越多地要求使用这种多功能传感器。,MgCr2O4-TiO2系多功能半导体陶瓷材料的导电性一般是空穴导电,在300550C温度范围内

49、对各种气体都较敏感。比如,在以氧气为首的氧化性气氛中这种陶瓷材料的电阻减少,而随着硫化氢、酒精、氢等还原性气体浓度的增加其电阻率增加。MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性如图8.41所示。,图8.41 MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性,金属氧化物半导体陶瓷材料BaTiO3-SrTiO3的介电常数与温度的依赖性是极其明显的,因此也就成为热敏器件的理想材料,通过掺入少量的MgCr2O4以及利用陶瓷体本身所具有的多孔结构,就可制得多功能的湿度-温度传感器。这就是巧妙利用了半导体陶瓷材料的体单晶性质和表面性质而做的复合功能传感器。其等效电路如图8.42所示。,图8.42 湿度-温度传感

50、器的等效电路,4MOSFET湿敏器件 用半导体工艺制成的MOS型场效应管湿敏器件,由于是全固态湿敏传感器,有利于传感 器的集成化和微型化,因此是一种很有前途和价值的湿度传感器。图8.43表示MOS型场效应管湿敏器件的典型结构。从图中看出,这种湿敏器件是在MOS型场效应管的栅极上涂覆一层感湿薄膜,在感湿薄膜上增加另一电极而构成的新型湿敏器件。,图8.43 MOSFET湿敏器件结构,5结型湿敏器件 利用肖特基结或PN结二极管的反向电流或者反向击穿电压随环境相对湿度的变化,可以制成一种结型湿度敏感器件。在结型湿度敏感器件中,二氧化锡湿敏二极管是比较有代表性的。这种二极管是采用电阻率为5cm的N型硅单