十大湿度传感器及其应用

1.湿度基本概念

随着现代工农业技术的发展及生活条件的提高，湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。例如：大规模集成电路生产车间，当其相对湿度低于30％时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿度小而产生静电时，容易产生爆炸；纺织厂为了减少棉纱断头，车间要保持相当高的湿度（60％~75％RH）；一些仓库（如存放烟草、茶叶、中药材等）在湿度过大时，易发生变质或霉变现象。在农业上，先进的工厂式育苗、食用菌的培养与生产、水果及蔬菜的保鲜等都离不开湿度的检测与控制。

湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多数是测量环境中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。

（1）绝对湿度 绝对湿度是指单位体积的气氛中水蒸气的质量，其表达式为

式中，m_V为待测气氛中的水蒸气质量；V为待测气体的总体积。

（2）相对湿度 相对湿度为待测环境中水蒸气分压与相同温度下水的饱和水蒸气压的比值的百分数。这是一个无量纲量，常表示为％RH，其表达式为

式中，p_V为待测环境的水蒸气分压；p_W为待测环境温度相同时水的饱和水蒸气压。

（3）露点 在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于0℃，水蒸气将凝结成霜，此时称其为霜点。通常对两者不予区分，统称为露点，其单位为℃。

2.湿度传感器

湿敏元件是指对环境湿度具有响应或将湿度转换成相应可测信号的元件。湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。湿度传感器的主要特性有以下几点：

1）感湿特性：湿度传感器的特征量（如电阻、电容、频率等）随湿度变化的关系，常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图4-16所示。

2）湿度量程：表示湿度传感器技术规范规定的感湿范围。全量程湿度为（0~100）％RH。

3）灵敏度：湿度传感器的感湿特征量（如电阻、电容等）随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率。由于大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的，因此常用不同环境下的感湿特征量之比来表示其灵敏度的大小。

4）湿滞特性：湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形回线，这一特性就是湿滞特性，如图4-17所示。

图4-16 湿度传感器的感湿特性

图4-17 湿度传感器的湿滞特性

5）响应时间：在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定比例所需的时间。一般以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间的90％的相对湿度变化所需的时间来计算。

6）感湿温度系数：当环境湿度恒定时，温度每变化1℃所引起的湿度传感器感湿特征量的变化量。

7）老化特性：湿度传感器在一定温度、湿度环境下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。

湿度传感器种类繁多。按输出的电学量可分为电阻型、电容型、频率型等；按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型、结露型等；按材料可分为陶瓷型、有机高分子型、半导体型、电解质型等。下面就材料不同分别加以介绍。(https://www.xing528.com)

（1）陶瓷型湿度传感器 陶瓷型湿度传感器的感湿机理，目前尚无定论，国内外学者主要提出了质子型和电子型两类导电机理，但这两种机理有时并不能独立地解释一些传感器的感湿特性，在此不再深入探究。只需要知道这类传感器是利用其表面多孔性吸湿进行导电，从而改变元件的阻值。这种湿敏元件随外界湿度变化而使电阻值变化的特性便是用来制造湿度传感器的依据。陶瓷型湿度传感器较成熟的产品有MgCr-TiO₂系、ZnO-Cr₂O₃系、ZrO₂系厚膜型、Al₂O₃薄膜型、TiO₂-V₂O₅薄膜型等。

1）MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器：MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。由于它具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化，并得到广泛应用。MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器的结构示意图如图4-18所示。

MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器是以MgCr₂O₄为基础材料，加入一定比例的TiO₂（20％~35％mol/L）制成的。感湿材料被压制成4mm×4mm×0.5mm的薄片，在1300℃左右烧成，在感湿片两面涂布氧化钌（RuO₂）多孔电极，并于800℃下烧结。在感湿片外附设有加热清洗线圈，此清洗线圈主要是通过加热排除附着在感湿片上的有害气氛及油雾、灰尘，恢复对水蒸气的吸附能力。

2）ZrO₂系厚膜型湿度传感器：由于烧结法制成的体型陶瓷湿度传感器结构复杂，工艺上一致性差，特性分散，近来，国外开发了厚膜陶瓷型湿度传感器，这不仅降低了成本，也提高了传感器的一致性。

ZrO₂系厚膜型湿度传感器的感湿层是用一种多孔ZrO₂系厚膜材料制成的，它可用碱金属调节阻值的大小并提高其长期稳定性。其结构示意图如图4-19所示。

图4-18 MgCr₂O₄-TiO₂系湿度传感器的结构示意图

图4-19 ZrO₂系湿度传感器的结构示意图

1—电极引线 2—印制的ZrO₂感湿层（厚为几十微米） 3—瓷衬底 4—由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜 5—用丝网印刷法印制的Au梳状电极

（2）有机高分子型湿度传感器 有机高分子型湿度传感器常用的有高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器和结露传感器。

1）高分子电阻式湿度传感器：这种传感器的工作原理是由于水分子吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿度下，因吸附量少，不能产生荷电离子，所以电阻值较高。当相对湿度增加时，吸附量也增加，大量的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子对主要起到载流子作用，这就使高分子湿度传感器的电阻值下降。利用这种原理制成的传感器称为高分子电阻式湿度传感器。

2）高分子电容式湿度传感器：这种传感器是以高分子材料吸水后，元件的介电常数随环境相对湿度的改变而变化的原理制成的。元件的介电常数是水与高分子材料两种介电常数的总和。当含水量以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数（3~6）远远小于水的介电常数（81），所以介质中水的成分对总介电常数的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能。其结构示意图如图4-20所示。以高分子电容式湿度传感器为例，它是在绝缘衬底上制作一对平板金（Au）电极，然后在上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜做电介质，在表层以镀膜的方法制作多孔浮置电极（Au膜电极），形成串联电容。

3）结露传感器：这种传感器是利用了掺入炭粉的有机高分子材料吸湿后的膨润现象。在高湿度下，高分子材料的膨胀引起其中所含炭粉间距变化而产生电阻突变。利用这种现象可制成具有开关特性的湿度传感器。其特性曲线如图4-21所示。

图4-20 高分子电容式湿度传感器的结构示意图

1—微晶玻璃衬底 2—下电极 3—敏感膜 4—多孔浮置电极 5—引线

图4-21 结露传感器的特性曲线

结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它与一般湿度传感器的不同之处在于它对低湿度不敏感，仅对高湿度敏感。故结露传感器一般不用于测湿，而作为提供开关信号的结露信号器，用于自动控制或报警，如用于检测磁带录像机、照相机结露及小汽车玻璃窗除露等。

（3）半导体型湿度传感器 此类传感器品种也很多，现以硅MOS型Al₂O₃湿度传感器为例说明其结构与工艺。传统的Al₂O₃湿度传感器的缺点是气孔形状大小不一，分布不匀，所以一致性差，存在着湿滞大、易老化、性能漂移等缺点。硅MOS型Al₂O₃湿度传感器是在硅单晶上制成MOS晶体管，其栅极是用热氧化法生长成的厚度为80nm的SiO₂膜，在此SiO₂膜上用蒸发及阳极化方法制得多孔Al₂O₃膜，然后再蒸镀上多孔金（Au）膜而制成的。这种传感器具有响应速度快、化学稳定性好及耐高低温冲击等特点。其结构示意图如图4-22所示。

图4-22 MOS型Al₂O₃湿度传感器的结构示意图