湿敏传感器的介绍及应用

5.1.1　湿敏传感器概述

微课　湿敏传感器认知

湿度是指大气中所含的水蒸气量，通常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大小空间中的水蒸气量，常用“kg/m3”和水的蒸气压表示。

相对湿度是某一被测蒸气压与相同温度下饱和蒸气压^[1]比值的百分数，常用“%RH”表示，是一个无量纲的量。

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，将湿度转化成相应信号的器件。

用于检测湿度的湿敏元件主要分为水分子亲和型湿敏元件和非水分子亲和型湿敏元件。

水分子亲和型湿敏元件是利用水分子附着或浸入某些物质后其电阻率或介电常数等电气性能发生变化的特性检测湿度。常用的有电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件。

非亲和型湿敏元件是利用其与水分子接触产生的物理效应检测湿度。常用的有热敏电阻式湿度传感器和红外线吸收式湿敏传感器。其中，热敏电阻式湿度传感器是利用热电效应原理工作的湿度传感器，红外线吸收式湿敏传感器是利用水蒸气能吸收特定波长的红外线的特性工作的湿度传感器。

氯化锂（LiCl）湿敏电阻和半导体陶瓷湿敏电阻是两种较常用的湿敏元件。随着科技的不断发展，将温度与湿度集成为一体的集成数字式温湿度传感器的应用也在逐渐普及。

5.1.2　典型湿敏传感器

1.氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的湿度检测元件。氯化锂湿敏电阻主要由引线、基片、感湿层与电极组成，其结构如图5-1所示。

图5-1　氯化锂湿敏电阻结构

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均以离子的形式存在。Li+对水分子的吸引力强，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使Li+浓度降低，电阻率增高；当环境相对湿度变低时，溶液中Li+浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。

氯化锂湿敏元件的湿度-电阻特性曲线如图5-2所示。由图可见，不同浓度的氯化锂湿敏元件在相应的相对湿度范围内，电阻与湿度的变化呈线性关系。因此，为扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂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的5种元件配合使用，就可自动转换完成整个湿度范围的湿度测量。体现了“众擎易举，独木难支”的团队合作的优势。

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±5%；但其耐热性差，不能用于露点^[2]以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。

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图5-2　氯化锂湿敏电阻的湿度-电阻特性

2.半导体陶瓷湿敏电阻

半导体陶瓷（简称半导瓷）湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgOCr2O3系、Fe3O4等。其中ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系的电阻率随湿度增加而下降，故称为负湿度特性湿敏半导体陶瓷；Fe3O4的电阻率随湿度增大而增大，故称为正湿度特性湿敏半导体陶瓷。

半导体陶瓷湿敏电阻主要有烧结型湿敏电阻和涂覆膜型湿敏电阻，如图5-3所示。

图5-3　半导体陶瓷电阻结构

（a）烧结型湿敏电阻；（b）涂覆膜型湿敏电阻

烧结型湿敏电阻是将感湿灵敏度适中、电阻率低、温度特性好的MgCr2与能改善烧结特性、提高元件的机械强度及抗热骤变特性的TiO2（30%mol），在1 300℃的空气中烧结成多孔的电极，再将元件安装在高致密、疏水性好的陶瓷基片上而构成。

涂覆膜型湿敏电阻是将由金属氧化物微粒经过堆积、黏结而成的材料作为湿敏元件，较典型的是Fe3O4湿敏器件。Fe3O4湿敏器件采用滑石瓷做基片，在基片上用丝网印刷工艺印制成梳状金属电极，将纯净的Fe3O4胶粒调制成浆后涂覆在金属电极的基片上，经低温烘干，引出电极而制成。

半导体陶瓷湿敏电阻具有较好的热稳定性，较强的抗玷污能力，能在恶劣、易污染的环境中较准确地检测湿度数据，且响应速度快、温度范围宽，在实际应用中较为常见。

3.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检测的传感器。典型的是薄片状电容式湿敏传感器。

电容器是由金属极板与绝缘介质构成，其电容量与电容器的极板面积成正比，与电容器的极板间距成反比，与极板间介质的介电常数成正比。

按图5-4所示的电容器结构，电容器的电容量为

图5-4　电容器结构示意图

式中：C为电容器的电容量；A为电容器极板的面积；d为电容器极板的间距。

薄片状电容式湿敏传感器采用乙酸-丁酸纤维素、乙酸-丙酸纤维素等高分子聚合物或多孔氧化铝等金属氧化物作为电介质材料，利用这类材料的吸湿性，使其介电常数随湿度变化而变化，从而改变电容量大小的特性进行湿度检测。