半导体陶瓷湿度传感器的工作原理和应用场景

半导体陶瓷湿度传感器具有很多优点,主要如下。

①测湿范围宽,基本上可实现全湿范围内的湿度测量;

②工作温度高,常温湿度传感器的工作温度在150℃以下,而半导体陶瓷湿度传感器的工作温度可达800℃;

③响应时间短,多孔陶瓷的表面积大,易于吸湿和脱湿;

④湿滞小,可高温清洗,灵敏度高,稳定性好等。

半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。表4.5列出了半导体陶瓷湿度传感器的类别。

表4.5　半导体陶瓷湿敏传感器的类别

通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷,除Fe3O4系半导体陶瓷湿度传感器外,ZnO-Cr2O3(氧化锌-三氧化二铬)系、Fe3O4系、TiO2-V2O5(二氧化钛-五氧化二钒)系半导体陶瓷湿度传感器都为负特性湿度传感器,即随着环境湿度的增加电阻率降低,而Fe3O4系半导体材料的电阻率随湿度的增加而增大,故其称为正特性湿度传感器。下面介绍典型的MgCr2O4-TiO2系半导体陶瓷湿度传感器和ZnO-Cr2O3系半导体陶瓷湿度传感器。

由MgCr2O4-TiO2固溶体组成的多孔性半导体陶瓷材料的电阻率能在一定范围内随湿度的增加而减小,因此属于负特性湿度传感器。MgCr2O4-TiO2属于P型半导体,电阻率低,阻值温度特性较好。MgCr2O4-TiO2系半导体陶瓷湿度传感器结构如图4.6所示。在感湿体外设置了由镍铬丝烧制而成的加热清洗线圈,此线圈的作用主要是通过加热排除附着在感湿片上的有害物质(如水分、油污、有机物和灰尘等),以恢复感湿片对水汽的吸附能力。

图4.6　MgCr2O4-TiO2系半导体陶瓷湿度传感器结构

由于MgCr2O4-TiO2系半导体陶瓷湿度传感器为多孔结构,很容易吸附水汽,还能抗热冲击。这种半导体陶瓷的电阻率和温度特性与原材料的配比有很大关系,将导电类型相反的半导体材料按不同比例烧结就能得到电阻率较低、电阻率温度系数很小的复合型半导体湿度传感器。MgCr2O4-TiO2系半导体陶瓷湿度传感器的感湿特性曲线如图4.7所示,该湿度传感器的特点是体积小,感湿灵敏度适中,电阻率低,阻值随相对湿度的变化特性好,测量范围宽,可测量0%～100%RH,响应速度快(响应时间可小至几秒)。(www.xing528.com)

图4.7　感湿特性曲线

MgCr2O4-TiO2系半导体陶瓷湿度传感器的电阻-湿度特性曲线如图4.8所示。随着相对湿度的增加,传感器的电阻值急骤下降,且基本按指数规律下降。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%时,阻值从107 Ω 下降到104 Ω,即变化了三个数量级。

图4.8　电阻-湿度特性曲线

另外,国外已研制出不用电热清洗的半导体陶瓷湿度传感器,Zn O-Cr2O3系半导体陶瓷湿度传感器就是其中的一种。它主要是以氧化锌为主要成分,这种湿度传感器不需要清洗加热就能性能稳定地连续测量湿度,成本低廉,适用于大量生产。图4.9是ZnO-Cr2O3系半导体陶瓷湿度传感器的结构图,其主要特点如下:

①电阻率几乎不随温度改变,老化现象很少,长期使用后电阻率变化只有百分之几;

②元件的响应速度快,在0%～100%RH 时,响应时间约为10 s;

③湿度变化±20%时,响应时间仅为2 s;

④吸湿和脱湿时几乎没有温滞现象。

图4.9　ZnO-Cr2O3系半导体陶瓷湿度传感器的结构图