湿度传感器的分类及特性演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,课题一 湿度传感器的分类及特性,任务目标,熟悉湿度的表示方法和湿度传感器的主要特性；,熟悉半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子湿度传感器的基本结构，掌握其感湿特性。,1,一、湿度传感器概述,湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换为电信号的装置，现代化的工农业生产及科学实验对空气湿度的重视程度日益提高，要求也越来越高，如果湿度不能满足要求，将会造成不同程度的不良后果。,2,1,湿度的表示方法,狭义的湿度是指空气中水汽的含量，常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）等来表示。,（,1,）绝对湿度,绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度，其数学表达式为,（,3-1,）,式中,M,v,待测气体中水蒸气的质量；,V,待测气体的总体积；,H,a,待测气体的绝对湿度，单位为,g/m3,。,3,（,2,）相对湿度,相对湿度为待测气体中的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为,（,3-2,）,式中,P,V,某温度下待测气体的水蒸气压；,P,W,与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压；,RH,相对湿度，单位为,%RH,。,4,饱和水蒸气压与气体的温度和气体的压力有关。,当温度和压力变化时，因饱和水蒸气压变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也会发生变化，温度越高，饱和水蒸气压越大。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。,凡谈到相对湿度，必须同时说明环境温度,，否则，所说的相对湿度就失去确定的意义。,5,（,3,）露点,水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的,水蒸气压,与同温度下水的,饱和蒸气压,差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成,露珠,，相对湿度为,100,RH,。该温度称为空气的,露点温度,，简称露点。如果这一温度低于,0,时，水蒸气将结霜,，,又称为,霜点温度,。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。,6,2,湿度传感器的主要特性,（,1,）感湿特性,感湿特性为湿度传感器的感湿特征量（如电阻、电容、频率等）随环境湿度变化的规律，常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图,3-1,所示。,图,3-1,湿敏元件的感湿特性曲线,按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲线和负特性曲线。性能良好的湿度传感器，要求在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性变化，其斜率大小要适中。,7,（,2,）湿度量程,湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围称为湿度量程。一般来说，使用时不得超过湿度量程规定值。所以在应用中，希望湿度传感器的湿度量程越大越好，以,0%100%RH,为最佳。,湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于,70%RH,的场合；低湿型适用于相对湿度小于,40%RH,场合；而全湿型则适用于,0%100%RH,的场合。,8,（,3,）灵敏度,灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变,1%RH,时，湿度传感器的感湿特征量的变化值，也就是该湿度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，在不同的湿度范围内具有不同的斜率，因此常用湿度传感器在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示其灵敏度。如,R,1%/,R,10%,表示器件在,1%RH,下的电阻值与在,10%RH,下的电阻值之比。,9,（,4,）响应时间,当环境湿度增大时，湿敏器件有一吸湿过程，并产生感湿特征量的变化。而当环境湿度减小时，为检测当前湿度，湿敏器件原先所吸的湿度要消除，这一过程称为脱湿。所以用湿敏器件检测湿度时，湿敏器件将随之发生吸湿和脱湿过程。,在一定环境温度下，当环境湿度改变时，湿敏传感器完成吸湿过程或脱湿过程（感湿特征量达到稳定值的规定比例）过程所需要的时间，称为响应时间。感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以实际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的,90%,所需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间,90%,的相对湿度变化所需的时间来计算。,10,（,5,）感湿温度系数,湿度传感器除对环境湿度敏感外，对温度也十分敏感。湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温度下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，如图,3-2,所示。,图,3-2,湿敏元件的温度特性,湿度传感器的感湿温度系数定义为：湿度传感器在感湿特征量恒定的条件下，当温度变化时，其对应相对湿度将发生变化，这两个变化量之比（参见式（,3-3,），称为感湿温度系数。,（,3-3,）,11,显然，湿度传感器感湿特性曲线随温度的变化越大，由感湿特征量所表示的环境湿度与实际的环境湿度之间的误差就越大，即感湿温度系数越大。因此，环境温度的不同将直接影响湿度传感器的测量误差。故在环境温度变化比较大的地方测量湿度时，必须进行修正或外接补偿。,湿度传感器的感湿温度系数越小越好。传感器的感湿温度系数越小，在使用中受环境温度的影响也就越小，传感器就越实用。一般湿度传感器的感湿温度系数在,0.20.8%RH/,。,12,图,3-3,湿度传感器的湿滞特性,（,6,）湿滞特性,一般情况下，湿度传感器不仅在吸湿和脱湿两种情况下的响应时间有所不同（大多数湿敏器件的脱湿响应时间大于吸湿响应时间），而且其感湿特性曲线也不重合。在吸湿和脱湿时，两种感湿特性曲线形成一个环形线，称为湿滞回线。湿度传感器这一特性称为湿滞特性，如图,3-3,所示。,湿滞回差表示在湿滞回线上，同一感湿特征量值下，吸湿和脱湿两种感湿特性曲线所对应的两湿度的最大差值。在电阻为,X,值时，,RH,=,RH,H,-,RH,L,，显然湿度传感器的湿滞回差越小越好。,13,（,7,）老化特性,老化特性为湿度传感器在一定温度、湿度环境下，存放一定时间后，由于尘土、油污、有害气体等的影响，其感湿特性将发生变化的特性。,（,8,）互换性,湿度传感器的一致性和互换性差。当使用中湿度传感器被损坏，那么有时即使换上同一型号的传感器也需要再次进行调试。,14,综上所述，一个理想的湿度传感器应具备以下性能和参数：,使用寿命长，长期稳定性好。,灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好。,使用范围宽，感湿温度系数小。,响应时间短。,湿滞回差小，测量精度高。,能在有害气氛的恶劣环境下使用。,器件的一致性、互换性好，易于批量生产，成本低。,器件的感湿特征量应在易测范围以内。,15,二、湿度传感器的分类及工作原理,湿度传感器种类很多，没有统一分类标准。按探测功能来分，可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露型；按传感器的输出信号来分，可分为电阻型、电容型和电抗型，电阻型最多，电抗型最少；按湿敏元件工作机理来分，又分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型两大类，其中水分子亲和力型应用更广泛；按材料来分，可分为陶瓷型、有机高分子型、半导体型和电解质型等。下面按材料分类分别加以介绍。,16,1,半导体陶瓷湿度传感器,陶瓷湿度传感器具有很多优点，主要如下：测湿范围宽，基本上可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在,150,以下，而高温湿度传感器的工作温度可达,800,；响应时间短，多孔陶瓷的表面积大，易于吸湿和脱湿；湿滞小、抗沾污、可高温清洗和灵敏度高，稳定性好等。,17,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。,陶瓷湿度传感器较成熟的产品有,MgCr,2,O,4,-TiO,2,（铬酸镁,-,二氧化钛）系、,ZnO-Cr,2,O,3,（氧化锌,-,三氧化二铬）系、,ZrO,2,（二氧化锆）系、,Al,2,O,3,（三氧化铝）系、,TiO,2,-V,2,O,5,（二氧化钛,-,五氧化二钒）系和,Fe,3,O,4,（四氧化三铁）系等。它们的感湿特征量大多数为,电阻,，除,Fe,3,O,4,系外，都为,负特性湿敏传感器,，即随着环境湿度的增加电阻值降低。下面介绍其典型品种。,18,半导体陶瓷湿度传感器,19,（,1,）,MgCr,2,O,4,-TiO,2,系湿度传感器,MgCr,2,O,4,-TiO,2,系湿度传感器为烧结型，其结构如图,3-4,所示。,图,3-4 MgCr,2,O,4,-TiO,2,系湿度传感器结构,20,制作方法：,以,MgCr,2,O,4,为基础材料，加入适量的,TiO,2,，在,1300,左右烧结而成，然后切割成所需薄片，在,MgCr,2,O,4,-TiO,2,陶瓷薄片两面涂覆氧化钌（,RuO,2,）多孔电极，并于,800,下烧结，制成感湿体，电极与引出线烧结在一起，引线为,Pt-Ir,（铂,-,铱）丝。在感湿体外设置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），以恢复对水汽的吸附能力。常用,450,每分钟的条件对陶瓷表面进行热清洗。,21,MgCr,2,O,4,-TiO,2,湿度传感器的感湿特性曲线如图,3-5,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,0100%RH,，响应速度快，响应时间可小至几秒。,图,3-5 MgCr,2,O,4,-TiO,2,湿度传感器的感湿特性曲线,22,（,2,）硅,MOS,型,Al,2,O,3,湿度传感器,Al,2,O,3,湿度传感器根据湿敏元件制作方法不同，可分为多孔,Al,2,O,3,湿度传感器、涂覆膜状,Al,2,O,3,湿度传感器和,MOS,型湿度传感器。下面介绍硅,MOS,型湿度传感器。,图,3-6,硅,MOS,型,Al,2,O,3,湿度传感器的结构,MOS,型湿度传感器具有响应速度快、化学稳定性好及耐高低温冲击的性能。,23,2,高分子湿度传感器,高分子湿度传感器包括高分子电解质薄膜湿度传感器、高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器、结露传感器和石英振动式传感器等，下面分别加以介绍。,（,1,）高分子电阻式湿度传感器,这种传感器的湿敏层为可导电的高分子，强电解质，具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生电离子，所以电阻值较高；当相对湿度增加时，吸附量也增大。高分子电解质吸水后电离，正负离子对主要起到载流子作用，使高分子湿度传感器的电阻下降。吸湿量不同，高分子介质的阻值也不同，根据阻值变化可测量相对湿度。,24,高分子湿度传感器外形图,25,（,2,）高分子电容式湿度传感器,图,3-7,为高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构，它是在洁净的玻璃基片上，蒸镀一层极薄（,50nm,）的梳状金质，作为下部电极，然后在其上薄薄地涂上一层高分子聚合物（,1nm,），干燥后，再在其上蒸镀一层多孔透水的金质作为上部电极，两极间形成电容，最后上下电极焊接引线，就制成了电容式高分子薄膜湿度传感器。,图,3-7,高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构,26,当高分子聚合物介质吸湿后，元件的介电常数随环境相对湿度的变化而变化，从而引起电容量的变化。,由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸湿和脱湿，故该类传感器有滞后小和响应速度快等特点。,（,3,）结露传感器,结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它与一般的湿度传感器不同之处在于它对低湿不敏感，仅对高湿敏感，感湿特征量具有开关式变化特性。结露传感器分为电阻型和电容型，目前广泛应用的是电阻型。,27,结露传感器外形图,28,电阻型结露传感器是在陶瓷基片上制成梳状电极，在其上涂一层电阻式感湿膜，感湿膜采用掺入碳粉的有机高分子材料，在高湿下，电阻膜吸湿后膨胀，体积增加，碳粉间距变大，引起电阻突变；而低湿时，电阻因电阻膜收缩而变小，其特性曲线如图,3-8,所示，在,75%80%RH,以下时，很平坦，而超过,75%80%RH,陡升。,图,3-8,结露传感器的感湿特性,29,结露传感器的特点：,响应时间短，体积较小，对高湿快速敏感。,它的吸湿作用不在湿敏膜的表面，而在其内部,，这就使它的特性不受灰尘和其他气体对其表面污染的影响，因而长期稳定性好，可靠性高，且不需加热解毒，能在直流电压下工作。,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，主要用于磁带录像机、照相机和高级轿车玻璃的结露检测及除露控制。,30,（,4,）石英振动式湿敏传感器,该类传感器是在石英振子的电极表面涂覆高分子材料感湿膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英振子共振频率变化，从而检测出环境湿度，传感器在,050,时，湿度检测范围为,0%100%RH,，误差,5%RH,。,石英振动式湿敏传感器还能检测露点，当石英振子表面结露时，振子的共振频率会发生变化，同时共振阻抗增加。,31,3,含水量检测,通常将空气或其他气体中的水分含量称为“湿度”，将固体物质中的水分含量称为“含水量”，即固体物质中所含水分的质量与总质量之比的百分数。,（,1,）称重法,测出被测物质烘干前后的重量,G,H,和,G,D,，含水量的百分数为,（,3-4,）,这种方法很简单，但烘干需要时间，检测的实时性差，而且有些产品不能采用烘干法。,32,（,2,）电导法,固体物质吸收水分后电阻变小，用测定电阻率或电导率的方法便可判断含水量。,（,3,）电容法,水的介电常数远大于一般干燥固体物质，因此用电容法测物质的介电常数从而测出含水量是相当灵敏的。造纸厂的纸张含水量可用电容法测量。,（,4,）红外吸收法,水分对波长为,1.94um,的红外线吸收较强，而对波长为,1.81um,红外线几乎不吸收。由上述两种波长的滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值便可判断含水量。,33,（,5,）微波吸收法,水分对波长为,1.36cm,附近的微波有显著吸收现象，而植物纤维对此波段的吸收仅为水的几十分之一，利用这一原理可制成测木材、烟草、粮食和纸张等物质中含水量的仪表。微波法要注意被测物料的密度和温度对检测结果的影响，这种方法的设备稍为复杂一些。,34,阶段小结,湿度信息由湿度传感器转变为电信号，通过湿敏元件的电量信号（电阻、电容等）随环境湿度变化而变化的特性来检测。湿度传感器的分类方法繁多，种类各不相同，感湿机理千差万别。,湿度较难检测，原因在于湿度信息的传递较复杂。湿度信息必须靠其信息物质,水对湿敏元件直接接触来完成。因此，湿敏元件不能密封、隔离，必须直接暴露于待测的环境中，而水在自然环境中容易发生三态变化。当其液化或结冰时，往往使湿敏器件的高分子材料或电解质材料溶解、腐蚀或老化，给测量带来不利。湿度传感器目前最主要的技术性难点就是长期稳定性差及互换性差。,35,