电阻式湿敏传感器的工作原理和应用

湿敏电阻是一种阻值随环境相对湿度的变化而变化的敏感元件，主要由感湿层（湿敏层）、电极和具有一定机械强度的绝缘基片组成的。感湿层在吸收了环境中的水分后引起两电极间电阻值的变化，这样就能直接将相对湿度的变化换成电阻值的变化。

1.氯化锂湿敏传感器

图10-38所示为在玻璃带上浸有氯化锂溶液的浸渍式湿敏元件。湿敏元件的基片材料为无碱玻璃带。将该玻璃带浸在乙醇中，除去纤维表面上附着的收集剂，将两片变成弓字形的铂箔片夹在基片材料的两侧作为电极。如图10-38中右面所示为湿敏元件外形图。元件的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化。图10-39所示为这种湿敏元件的电阻—相对湿度特性。通过测定电阻，便可知道相对湿度。由图10-39可知，在50%～80%的相对湿度范围内，电阻与湿度的变化呈线性关系。为了扩大湿度测量范围，可以将几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合使用。

图10-38 玻璃带上浸LiCl的湿敏元件的结构

如用浸渍1%～1.5%（质量）浓度氯化锂湿敏元件，可检测相对湿度20%～50%范围内的湿度，而用0.5%（质量）浓度氯化锂的湿敏元件，可检测相对湿度40%～80%范围内的湿度。这样将这两支湿敏元件配合使用，就可以检测相对湿度20%～80%范围内的湿度。

由图10-38可以看出，在湿气的吸附和脱附过程中，元件的电阻值变化呈现出较小的滞后现象。因此，如果湿度的测量精度要求不太高（如±2%），在常温附近使用时，可不必进行温度补偿。

2.陶瓷湿敏传感器

陶瓷湿敏传感器是近年来正在大力发展的一种新型传感器。金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两类。湿敏元件的电阻值，既随所处环境的相对湿度的增加而减少，又随周围空气中的还原性气体含量的增加而变大。

在离子型湿敏元件中，由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用（毛细凝聚作用），在潮湿气氛中呈现出H+离子，使元件的电导率增加。这类传感器已有两种处于实用阶段：一种是以α-Fe₂O₃及K₂CO₃为主要成分，另一种以ZnO、V₂O₅、Li₂O为主要成分。前一种传感器的电阻与温度的关系示于图10-40。由图可见，在环境温度0～100℃、0%～30%相对湿度范围内，元件的阻值与湿度呈线性关系，且在低温段，电阻随湿度的变化较大。(www.xing528.com)

图10-39 玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的电阻—相对湿度特性

图10-40 陶瓷湿敏传感器的电阻与湿度的关系

图10-41 一种氧化锆—氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构

电子型湿敏元件是利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变的原理制成的。元件的电导率是增加还是减小，取决于氧化物半导体是N型还是P型。氧化锆—氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器，其结构如图10-41所示。这种传感器的湿敏元件是氧化锆—氧化镁合成陶瓷，它是一种多孔质N型半导体材料。元件的四周装有电热元件，能将陶瓷加热到300～700℃的工作温度，使传感器在高温下检测水蒸气，并且能烧掉粘附在元件表面上的污物，起到清洗的作用。湿敏元件与电热元件装在一只由耐热、耐腐蚀的三氧化二铝陶瓷和不锈钢端子组成的底座上。为了保护传感器以及防止由于空气流速变动所引起的特性改变，传感器用不锈钢网罩罩住。

这种传感器在高温环境中使用时，具有高的热稳定性，几乎不受环境气氛中其他气体（空气、氧气、氮气、还原性气体）的影响。在-20～700℃的环境温度中使用，长期稳定性较好。该类传感器已应用于食品加工、空气调节器和干燥器等设备中。

陶瓷湿敏传感器的优点是：湿度滞后小，响应速度不超过10～15s，便于批量生产。但其长期可靠性较差，易受环境温度影响等问题仍待克服。