湿度传感器.doc

湿度传感器
研1207 光学工程 柴雪峰
1208030277

第一章 背景和湿度概念 2
1.1背景 2
1.2绝对湿度(AH) 2
1.3相对湿度(RH) 3
第二章 常用的湿度传感器 4
2.1湿敏元件 4
2.1.1湿敏电阻 4
2.1.2 湿敏电容 4
2.2 新型湿度传感器 5
2.2.1 电解质湿度传感器 5
2.2.2 高分子材料湿敏传感器 6
2.2.3 半导体陶瓷湿度传感器 7
2.2.4 氯化锂湿度传感器 9
2.2.5 氧化铝湿度计 9
第三章 光学湿度传感器 10
3.1光学湿敏薄膜材料 10
3.1.1 电解质型湿敏材料 10
3.1.2 半导体陶瓷材料 11
3.1.3 有机物及高分子聚合物湿敏材料 11
3.2 湿敏薄膜的制备方法 12
3.2.1 真空蒸镀法 12
3.2.2 溶胶-凝胶法 12
3.2.3 其他方法 12
3.3光学湿敏检测方法 13
3.3.1 平面光波导法 13
3.3.2 光导纤维法（光纤法） 13
3.3.3 聚合物光学法 14
3.4 光学湿度传感器的最新进展 14
3.4.1 光纤法 15
3.4.2 光学干涉法 17
3.4.3 光学衍射法 17
3.4.4 荧光效应 18
3.4.5光学反射法 19
3.5集成湿度传感器 20
第四章 发展趋势 21
参考文献 23

第一章 背景和湿度概念
1.1背景
很多行业中，如发电、纺织、食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格。目前，在低温条件下(通常指100oC以下)，湿度的测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业。另有许多行业需要在高温环境下测量湿度，如航空航天、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高温实验箱、高炉等场合。这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想。另外，在恶劣条件下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业气体时，将使精度大大降低[1]。
空气的干湿程度叫做湿度，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。通常空气的温度越高，最大湿度就越大。
1.2绝对湿度(AH)
绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，单位是g/m3，它的极限是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度联系起来才有意义，因为空气中湿度随温度而变化。计算绝对湿度的公式为

式中e-蒸汽压，单位Pa；-水的气体常数为461．52J/(kg·K)；T-温度，单位K；m-空气中溶解的水的质量，单位g； V-空气的体积，单位m3。
1.3相对湿度(RH)
相对湿度是绝对湿度与最高湿度的比值，表示水蒸气的饱和度。相对湿度为100％的空气就是水蒸气饱和的空气。相对湿度同样也与温度联系起来才有意义。通过相对湿度和温度也可以换算出表示温度的其他参数。相对湿度计算如下：

式中-绝对湿度，单位g/m3；，max-最高湿度，单位g/m3；E-饱和蒸汽压，单位Pa；s-比湿，单位g/kg；S-最高比湿，单位g/kg。其他同上。
早期的湿度测量通常用干湿球湿度计和毛发湿度计。前者原理是水蒸发要吸热降温，而蒸发的快慢(即降温的多少)和当时空气的相对湿度有关，这样浸在于湿球内的两支温度计就表示出与湿度相关的温度差。后者原理是脱脂毛发的伸缩随相对湿度值变化，与毛发相连的指针便可在刻度盘上指示空气相对湿度值

。
第二章 常用的湿度传感器
随着科技的进步，用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。
　　近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
2.1湿敏元件
湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式和电容式两大类。
2.1.1湿敏电阻
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜。当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化。利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等， 湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。
2.1.2 湿敏电容
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、 聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是,（1%--99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF—202pF。温度系数为0.04pF/oC ，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。
除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
2.2 新型湿度传感器
现代意义上的湿度传感器的种类有很多，按所用湿敏材料，主要可以分为三类：电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子聚合物湿度传感器[2-5]。
2.2.1 电解质湿度传感器
如LiCl湿度传感器。LiCl是典型的离子晶体，当其溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂溶液的导电能力将受到水蒸气在空气中的分压作用而加强，即氯化锂湿敏组件电阻降低；反之，环境相对湿度变低，氯化锂溶液的导
电能力将下降，其电阻上升。因此用氯化锂湿敏组件可实现对相对湿度的测量。这种传感器将湿度信息转化为容易测量的电信号，使得湿度的测量变得十分简便。其典型结构为登莫(Dunmore)式。如图1所示

图1 登莫式LiCl电解质传感器
在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的铝引线作为电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。若只采用一个传感器件，则其检测范围狭窄。因此常将氯化锂含量不
同的几种传感器组合使用，其检测范围能达到20％～90％RH。图1中A为用聚苯乙烯包封的铝管；B为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A上的铝电极。
另一种典型结构为浸渍式。浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍LiCI溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。在基片上浸渍LiCI溶液。这种结构部分地减少了高湿度下所产生的湿敏膜的误差。由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍LiC1溶液，这种传感器具有小型化的特点，它适用于微小空间的湿度检测。
与登莫式传感器一样，若仅用一个这种传感器，所检测的湿度范围狭窄。为了扩大到20％～9O％RH ，就必须使用多个不同LiC1溶液浓度的传感器。经过优化，这类传感器的阻值的对数能与相对湿度在20％～85％RH范围内成线性关系。
LiC1电解质传感器原理简单，灵敏度高，但在高湿环境中容易产生潮解，从而影响精度，缩短其使用寿命。一种改进的办法是将其制成胶体形式而不是溶液。将树脂、氯化理、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液，浸涂在蒸镀有电极的
塑料基片上，干燥后放置在紫外线下曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。它可在80℃环境下使用，并且有较好的耐水性。为了进一步提高测量精度和范围，LiCI常与多孔SiO2或其他无机氧化物组成复合材料传感器。
2.2.2 高分子材料湿敏传感器
如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感器。由于制作传感器的敏感高分子薄膜的材料结构和物理、化学现象非常丰富，对其敏感机理作出恰当的分类是非常困难的。但总体来说，高分子材料的敏感作用都是将材料的物化特性转化为传感器阻抗特性，然后再加以测量。
对于非导电性高分子材料，在某些特定条件下，带负电荷的引力中心可以被改变。其绝缘性可以用介电常数描述。由于具有高偶极矩的分子吸附作用，或者由于膨胀，许多高分子材料介电常数会产生可探测的变化。膨胀是一种纯几何效应，它可以由电容值的变化探测到．聚酰亚胺湿度传感器应用的就是这种原理。
还可将非导电性高分子材料与导电型材料一起构成复合材料应用在传感器上。复合材料电阻的变化是填充物浓度的函数。所有可改变填充物容量(密度)的环境效应，例如由于湿度增加而导致的材料膨胀，会引起电荷通道的减少，相应引起电阻系数的变化。通常使用的填充材料是金属和半导体金属氧化物(V 2O3，TiO2等)．可用的高分子材料有聚乙烯、聚酰亚胺、聚酯类、PVAC、PTFE、聚亚胺脂、PVA、环氧树脂类、丙烯酸类、PMMA．其中聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸
胺等材料都被成功地用于湿度和气体传感器。
还有一类导电的高分子电解质及聚合高分子电解质，若它们含有离子单体或无机盐，可以表现出导电性，并且其导电性可以通过包括湿度在内的环境参数调节，这样就可以像电解质材料一样用于制作传感器。碱性的盐一聚醚混合物，如
PPO和PEO与LiClO4、LiSCN、聚苯乙烯酯和季铵化PVPY已被成功地用于湿度传感器。
这类传感器响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器。
2.2.3 半导体陶瓷湿度传感器
在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。 考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于1980年研制成称之为“湿瓷-Ⅱ型”和“湿瓷-Ⅲ型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。
如Mg2CrO4-TiO2湿敏传感器以及TiO2-V2O5湿敏传感器．它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。
以MgCr2O4-TiO2为例说明其典型结构。如图2所示，在MgCr2O4 一TiO2陶瓷片的两面，设置高金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铅丝烧制而成的加热清洗圈，以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。为消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和污染而引起漏电。在电极2和3的四周设置金短路环。

图2 MgCr2O4-TiO2

陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相对湿度成指数变化，从而湿度信息转化为电信号。
这类元件的可靠性比涂覆元件好，且由于体导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。测湿范围宽，一片即可测1％ ～100％RH，并可用于较高温环境(150oC)，最高承受温度可达600oC；能用电热进行反复清洗，除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其他污染物，以保持精度不变；响应速度快(一般不超过20ns)；稳定性好。
类似产品还有V2 O5-TiO2陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石陶瓷湿敏元件等。使用过程中多需要清洗，并加有补偿电路。国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件，ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏元件就是其中的一种。显然，这类传感器适合于高温和高湿环境中使用，也是目前在高温环境中测湿的少数有效传感器之一。
除了上述的，还有一些其他的湿度传感器。
2.2.4 氯化锂湿度传感器
1)电阻式氯化锂湿度计
　第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。
　　氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH 以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为(80～100)%RH ，0.2%的浓度对应范围是(60～80)%RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为(15～100)%RH，国外有些产品声称其测量范围可达(2 ～100)%RH 。
2）露点式氯化锂湿度计
　露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。
2.2.5 氧化铝湿度计
氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小(例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重)，灵敏度高(测量下限达-110℃露点)，响应速度快(一般在 0.3s 到 3s 之间)，测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题.

第三章 光学湿度传感器
这些年来，随着光纤技术和光集成技术的发展, 光学湿度传感器受到极大关
注并被广泛应用[6,7]。
光学湿度传感器利用湿度环境下媒介层理化性质的变化, 进而引起光传播诸性质( 如入射光的反射系数、频率或相位等) 的变化来检测湿度。光学湿度传感器具有体积小、响应快、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高等优点。
高灵敏的光学湿度传感器主要取决于其材料的湿敏特性与光学检测方法。下面将简单介绍光学湿度传感器的湿敏材料和光学检测方法。
3.1光学湿敏薄膜材料
湿敏材料是湿度传感器的最重要组成部分，其性能决定了湿度传感器响应特性的好坏。研制新型高性能湿敏材料，一直是湿敏元件研究的核心。
3.1.1 电解质型湿敏材料
这类材料包括无机电解质和高分子电解质湿敏材料两大类。
无机电解质湿敏材料中最典型的是氯化锂。在绝缘基板上表面涂覆一层该电解质的感湿膜,感湿膜可随空气中湿度的变化而吸湿和脱湿, 同时引起感湿膜电阻的增减。氯化锂湿敏元件灵敏、准确、可靠。其主要缺点是在高湿的环境中, 潮解性盐的浓度会被稀释。因此, 使用寿命短, 当灰尘附着时, 潮解性盐的吸湿功能降低, 重复性变坏。
高分子电解质湿敏材料中典型的材料是聚苯乙烯磺酸锂。它是一种强电解质, 具有极强的吸水性, 吸水后电离, 在其水溶液里含有大量的锂离子, 阻值随吸湿量不同也不同。聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的吸湿响应时间比较快, 湿滞小, 稳定性好。但脱湿时间比较慢, 响应时间一般在1min以内。
电解质材料用作湿敏材料的不足之处是遇高湿环境易流失,在结露状态易损坏。
3.1.2 半导体陶瓷材料
半导体陶瓷湿敏材料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。在陶瓷湿度传感器中, 有以氧化锌、氧化钛等为主要成分的多种产品。
氧化锌-三氧化二铬湿敏元件的响应时间快, 在0～100%RH时, 响应时间约为10s，湿度变化±20%RH时，响应时间仅2s；吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现
象。五氧化二钒-二氧化钛陶瓷湿敏元件利用体积吸附水汽现象通过测定电极间的电阻检测湿度。半导体陶瓷类元件的特点是: 测湿范围宽, 耐高温, 响应时间短；缺点是容易发生漂移, 漂移量与相对湿度成比例。
3.1.3 有机物及高分子聚合物湿敏材料
这类材料主要有胀缩性有机物和高分子聚合物薄膜两大类。
有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。将导电的颗粒或离子掺入其中作为导电材料,就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。这
一类湿敏材料主要有羟乙基纤维素。感湿薄膜由羟乙基纤维素、碳粉、山梨酸和三硝基甲苯等混合而成。这类湿敏元件具有正向温度系数。对湿度响应较快, 一般情况下小于1s。
高分子聚合物材料主要有等离子聚合法形成的聚苯乙烯等。聚苯乙烯具有亲水的极性基团, 随环境湿度大小而吸湿或脱湿, 从而引起介电常数的改变。此类湿敏元件具有湿度测量范围大、工作温度范围宽、响应速度快, 温度系数小等优点。
3.2 湿敏薄膜的制备方法
湿敏薄膜的制备方法是多种多样的。比较常见的制备方法有传统的真空蒸镀法(Vacuum Evaporation ,VE) 和溶胶-凝胶法(Sol- gel)等。
3.2.1 真空蒸镀法
真空蒸镀法是在真空(～10-3Pa)条件下通过加热使薄膜初始材料气化, 材料的蒸汽沉积在温度较低的基片上, 形成所需要的薄膜, 是最基本的成膜方法之一。这种方法沉积速率高, 沉积面积大, 生产效率高, 设备和操作也比较简单, 是实验室和工业生产中制备湿敏薄膜的主要技术手段。有人采用真空镀膜方法分别在单晶硅片上下两面蒸发一层适当厚度的金属铝作为电极制成两端结构的湿敏元件[8]。也有人用真空淀积的方法在单晶硅片上获得一层SnO2 薄膜, 发现其在室温下有较好的湿敏特性和较短的响应时间[9]。
3.2.2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是目前发展较为迅速的一种可以获得具有各种优越性能的湿敏材料的湿化学制备方法。目前, 人们普遍采用该方法来制备湿敏薄膜, 复合金属氧化物、有机电解质混合薄膜以及复合高分子材料均可以使用溶胶-凝胶法制备湿敏薄膜并表现出良好的湿敏特性。鲍际秀等采用溶胶-凝胶法和提拉成膜技术
制得了均匀完整的薄膜, 湿度传感器的响应速度快, 湿滞现象较弱, 提高了薄膜的湿敏特性[10]。Orla McGaughey 等亦采用溶胶-凝胶法制备了[Ru(phen)2(doppz)] (PF6)2)的薄膜, 该基质的特性可以通过改变制备过程中的参量使其适用于不同应用的传感器[11]。
3.23 其他方法
静电自组装( Electrostatic Self- Assembly Multilayer, ESAM)法通过带相反电荷的聚离子或荷电微小粒子交替沉积, 依靠静电引力吸附成膜。该种制膜方法不需要形成化学键, 能够在分子水平控制膜的组成和结构, 厚度和应力分布均匀, 热稳定和长期稳定性较好。近年来已有人利用ESAM 法制备聚二烯丙基二甲基氯化铵/聚乙烯按磺酸盐骨架的蒽并吡啶酮发色团[PDDA/Poly R-478]光学湿敏薄膜, 利用这种薄膜制作的传感器灵敏度高、响应快, 可以进行高湿度测量(75%～100%RH)[12]。
3.3光学湿敏检测方法
3.3.1 平面光波导法
平面薄膜波导传感器是运用内全反射将光耦合到波导层的一种平面波导光学传感器。入射光束与波导层之间的耦合是通过棱镜与波导层之间的低折射率隔离层形成的倏逝场实现的, 如图1所示。当一种波导模式被激发时,波导中的光强会大大增加。湿敏薄膜在测量环境中吸湿或脱湿,从而改变湿敏薄膜表面的折射
率, 引起波导中出射光强的变化。平面薄膜波导传感器采用谱扫描(改变波长, 固定入射角)和角扫描(固定波长, 改变入射角)两种工作方式来测量出射光强或干涉图样的变化。通过测量湿敏薄膜表面折射率变化引起的相位变化或用偏振光调制技术并结合相干检测技术来进行湿度的检测[13, 14]。

图3 平面薄膜波导检测图
3.3.2 光导纤维法（光纤法）
光湿敏传感器常采用干涉型光纤传感器, 激光器发出的光经分束器分成两束, 分别沿两条光纤传播, 一为测量光路, 一为参考光路。把测量光路置于待检测的环境中, 由于湿度的作用, 光纤内传播的光波相位发生变化, 而参考光路无此相移, 所以二者之间产生相位差。两路光经耦合器后,产生干涉现象, 再用干涉技术把相位变化变换为振幅变化。检测器用来检测干涉条纹的情况, 并变成相应的电信号输出, 从而还原出所检测的湿度。
3.3.3 聚合物光学法
聚合物光学法基于吸收、反射、荧光、磷光、散射、折射率变化或干涉过程, 利用光谱原理进行相关物理量的检测。在最新的光学传感技术研究中, 已将光谱反射检测原理用于气相或液相有机溶液的灵敏度检测。这种光学传感器也可用于空气湿度的检测。一种检测原理是基于光学厚度改变。在吸收空气中水蒸气的过程中, 聚合物发生膨胀, 使光学厚度改变, 从而引起光学薄膜反射率的改变。在许多情况下, 折射率n的变化与“物理”层厚的变化相比可以忽略不计。另一种检测原理是基于颜色变化。在水分子与湿敏薄膜分子相互作用时, 由聚合物指示颜色材料的吸收带附近吸收率的改变引起反射率的变化。
3.4 光学湿度传感器的最新进展
长期以来, 人们对各种材料的湿度传感器进行了大量的研发工作, 尽管敏感材料的物理、化学性质纷纭复杂, 但还是在一定程度上已取得了卓有成效的进展。
3.4.1 湿敏材料进展
20 世纪90 年代末, 人们对金属氧化物的复合膜产生了浓厚的兴趣。在国内, 贾健国等发现SnO2/SiO2双层膜在常温下有良好的湿敏特性, 在整个湿度区域阻湿特性的线性度较好, 可测范围可扩展到整个湿度区域, 并且SnO2/SiO2 具有较强的抗干扰能力, 在室温下灵敏度不受其它气体的影响。随后,通过溶胶-凝胶工艺制得的LiCl/SiO2-Al2O3 薄膜材料也具有良好湿敏特性, 薄膜在全湿范围内阻抗值的变化大于3个数量级, 阻抗的对数值与相对湿度的关系具有较好的线性度, 吸湿响应小于30s, 脱湿响应小于60 s [15]。近年来, 复合系陶瓷湿敏材料也备受关注。SiO2-LiZnVO4 系湿敏材料中,液相掺杂LiZnVO4 含量对试样的湿敏性能影响很大。LiZnVO4 添加量的摩尔分数为10%时, 对应的感湿灵敏度和感湿线性都较好[16]。
在国外, Maximino 等将湿敏荧光材料[Ru(phen)2(doppz)]2+掺于聚四氟乙烯(PTFE)中, 对光敏材料进行优化, 这种新颖的薄膜通过测量荧光发射强度或者荧光寿命, 对湿度进行持续的监测,可以测量高湿度环境(RH>90%)[17]。另外, Milind V.kulkarni 等采用一种化学的聚合方法将不同的酸( 例如HCl、HClO4、H3PO4、H3BO3和醋酸等) 掺在Poly N- Methyl Aniline (PNMA)中, 这种湿敏材料可以进行较宽范围的测量。经实验验证, 掺有H3PO4的聚合物薄膜在20～100%RH 具有良好的线性关系[18]。
目前, 一种新颖的材料受到了广泛的关注, 新亚甲基蓝(New methylene blue,NMB) 通过离子交换效应与丝光沸石(H- mordenite zeolite , HMOR) 结合在一起, 用这种材料制成的光学湿敏器件在6%～95%RH 范围内具有良好的线性响应, 较高的稳定性和可逆性, 吸湿和脱湿的恢复时间分别是1min 和2min, 充分显示出它在光湿敏材料上的优势[19]。与此同时 人们更加热衷于湿度传感器的光学检测方法的研究。
3.4.2光学检测方法进展
在国内, 姚岚等利用离子自组装技术在光纤端面上制备了具有多层结构、含有亲水基团的聚电解质感湿薄膜。当湿度发生变化时, 感湿膜的体积发生膨胀或
收缩, 法布里- 珀罗(Fabry- Perot)干涉腔的长度发生变化, 引起反射光的相位差发生改变, 进而使得反射光的光强也随之变化, 通过测量反射光强的变化便可测出湿度的变化[20]。
3.4.1 光纤法
2000 年, C.Bariiain 等报告一种涂膜锥形光纤湿度传感器, 由敏感光纤、激光源、光学功率计和计算机等部分组成。锥形光纤纤芯到玻璃包层的折射率逐渐变小, 可使高模光按正弦形式传播,这能减少模间色散, 提高光纤带宽。在光纤锥形段的两侧, 分别淀积了一层氰基胶质膜作为湿敏元件, 对于不同的湿度, 该亲水性膜的反射系数将发生不同的变化。实验结果表明: 在相对湿度30%～80%范围内, 通过锥形光纤的光强将与相对湿度成近似线性关系[21]。
近年, 出现了许多有关U 形光纤湿度传感器的报告。2001 年,B.D.Gupta 等采用纤芯表面涂有掺杂酚红的PMMA薄膜的U形光纤作为敏感元件, 它的两端与
激光源和光功率计相连, 利用PMMA折射率与被测湿度相关的特性来实现对湿度的检测。该种U形光纤湿度传感器可以增加敏感区域, 提高灵敏度, 响应时间仅
5s[17]。最近,Sunil K.Khijwania 等报告了一种损耗波光纤湿度传感器, 它采用掺杂氯化钴附着U型光纤芯表面,这种传感器可以测量的湿度范围是10%~90%RH, 响应快且恢复时间小于1s[22]。
Maria Konstantaki等报告了利用混合的PEO/CoCl2 作为湿敏涂层材料的长周期光纤光栅(LPFG)湿度传感器。光纤上沉积的上述材料的薄膜涂层受到周围
湿度的影响, 将引起与感湿机理有关的材料折射率和吸收系数的变化, 从而使透射谱发生改变。这种传感器可以检测的湿度范围是50%～95%RH，分辨率高于0.2%,光纤传感器的响应时间常数也仅仅是0.1s级。
还有一一种典型结构叫做电稳定自组织锥形光纤湿度传感器，其结构是将一段单模光纤从中间拉成锥形，但将锥形腰处一段距离保持均匀的直径，并用对湿度敏感的复合材料做成均匀包层，这样实际上将光纤做成了哑铃型，如图4。如将一定功率的光通过锥形光纤，则光能在此处的损失将与包层厚度、湿度相关，包层用紫外胶固化后，则只与湿度相关。用功率检测的方法即可测量湿度的大小。

图4 ESA光纤湿度传感器结构
这种光纤传感器应用在1550nm波长时，灵敏度为0.03dB/％RH，在26～65℃范围内有1dB的漂移，测量范围0～90％RH．实验结果在100℃内测得。
光纤光栅型的湿度传感器，与其材料相同，测量原理是环境湿度变化引起光纤光栅材料的形变，相应引起特征波长的变化，检测此波长的变化即可知环境湿度的变化。测量精度与范围也相近。
3.4.2 光学干涉法
1999 年, Francisco J. Arregui等采用ISAM构造了一种基于纳米法布里-珀罗干涉腔的光纤湿敏传感器。利用ISAM法可以成功地控制法布里-珀罗腔的长度, 使得干涉仪的腔长小于400nm, 所以仅仅使用价格低廉的LED作为光源即可, 从而取代了激光光源。这种方法制成的湿度传感器测量湿度的范围极广, 从11.3%到100%均可以得到精确的数值。此外,传感器的响应时间小于1.5s,因此可以用于人们呼吸的监控,也可用于工业、医药工程等其他领域[23]。
2006 年, S.McMurtry等也曾经报告过一种多通道低相干光学干涉湿度敏感测量系统。它采用PMMA-PMTGA-PMMA聚合物作为湿敏薄膜, 光信号处理采用迈克尔逊干涉仪。由于湿度的作用, 聚合物薄膜的厚度产生变化。该系统采用多个独立的传感器来建立各自相对应的干涉匹配位置, 通过干涉仪获得的频率与被湿度相关。这种聚合物薄膜不易老化并且该传感器测量准确性高, 可以达到1.2%RH[24]。
3.4.3 光学衍射法
A. Tsigara等报告了一种基于光学衍射的湿度传感器。这种传感器采用浇铸或旋涂的镀膜方法将混合聚合物/氯化钴溶液涂镀在光栅结构或平面玻璃基质上 其湿度检测基于聚合物/氯化钴的合成膜表面修正现象所产生的变化而导致光衍射效应的改变。它的优点是可以通过改变聚合物薄膜的合成材料而调整测量湿度的范围。其实验装置如图5所示[25]。
He-Ne激光器(波长633nm)作为该实验的光源。探测器将不同衍射级的传输光强信号记录下来, 参考信号也同时被另一探测器记录下来用于解释在测试腔中可能发生的光能不稳定性。实验样品被置于测试腔中来感测不同的湿度值(20%～80%RH), 空间滤光片的作用是使不同衍射级的传输或衍射信号达到最佳效果。测量的结果通过数据采集系统被记录下来并在计算机上显示。该传感器具有响应快、稳定性高、良好灵敏性和测量范围相对较广。

图5基于衍射的光学湿度传感器实验原理图
3.4.4 荧光效应
这种方法是基于指示剂的发光强度或发射寿命的变化来检测湿度。Orla McGaughey等发现利用溶胶-凝胶法制成的Ru复合物-[Ru(phen)2(doppz)](PF6)2- 的薄膜可以作为良好的湿敏材料,通过荧光强度的改变可以测得湿度的变化情况。其实验测量系统如图6所示。将一镀有感湿薄膜的载波片放置在专门设计的流通池中, 其中通有湿度变化的干湿混合氮气, 通过气流控制器来产生特定
的湿度。同时, 使用一电容湿度传感器来控制相对湿度的准确值。在流通池里还放有一加热器来控制温度的稳定性。该传感器的探测点通过一放置在流通池中蓝色LED来实现, LED发射出的光强用光探测器记录下来。实验中使用滤光片是为了消除所探测到的输出信号的激发光。这种湿度传感器的测湿范围为0～100%RH,已经被用于室内空气品质的检测而且可以达到0.35%RH的检测极限。

图6 基于强度变化的测量系统实验图
3.4.5光学反射法
采用半导体方式制冷元件可以制成光学湿度传感器, 它的工作原理是, 光学检测器接收到LED发射的红外光束,当处于环境空气中的传感器经冷却器冷却
后, 引起水薄膜的收缩, 由此产生的散射效应改变了光的反射系数, 使光输出信号增加。被测相对湿度与冷却器冷端的光反射系数相关。传感器的准确度优于±1%,响应时间小于10s[26]。
上述光学检测方法特性参量的比较列于表1中。

表1各种光学湿度传感器
3.5集成湿度传感器
集成湿度传感器是微电子技术和微电子机械系统(MEMS)发展的产物,这两种技术结合起来,使得湿度传感器在功能和微型化方面均有所突破。集成湿度传感
器一般分成以下四种类型:
1. 线性电压输出式 该类传感器输出是与相对湿度呈比例关系的电压信号, 采用恒压供电, 内部有放大电路, 响应速度快, 重复性好,抗污染能力强。典型产品有美国Honeywell公司生产的HIH3605/3610、HM1500/1520。
2. 线性频率输出式 输出是频率, 该频率与相对湿度呈线性关系。这类传感器由于具有很好的线性度, 湿度测量范围大, 抗干扰能力强, 采用数字电路或单片机控制比较容易, 且价格低,因此应用较为广泛。典型产品有美国Humirel 公司生产的HF3223。
3. 频率/温度输出式 由于温度对湿度的影响较大, 因此, 有些湿度传感
器在集成时, 除了提供湿度转换的频率输出端以外, 还增加了温度信号输出端, 配上二次仪表可分别测量出湿度和温度值。典型产品为HTF3223型。
4．单片智能化湿度/温度传感器 也称为数字化湿度/温度传感器, 这类传感器往往都是温湿度一体产品。是将相对湿度传感器/温度传感器、放大器、A / D转换器、接口、存储器及控制单元等通过集成技术, 封装在一起, 这类传感器输出的是数字信号。一般在出厂前, 每只传感器都经过精密校准,校准系数被编成相应的程序存入存储器中。代表性产品有:盛世瑞恩公司SHTxx系列产品、E+E 公司的EE02系列产品等。
一般来说, 集成湿度传感器的测量范围很大, 精度较高,抗干扰能力强,体积小,价格低,因此受到越来越广泛的应用,如空调、大型粮仓、军火库[27,28,29]等的湿度控制。

第四章 发展趋势
理想的湿敏传感器的性能要求是适于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快湿滞回差小；灵敏度高，线性好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产、转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温等。
湿敏传感器正从简单的湿敏组件向集成化、无损化检测、多参数检测的方向迅速发展，为开发新型湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
目前, 国际上湿度传感器的发展有两个方向: 一个是湿敏元件及制造工艺的发展, 另一个是向集成化、智能化、网络化及微型化方向发展。
新型传感器的发展有赖于利用新型敏感材料[30,31]开发敏感元件。敏感元件作为基础元器件, 在国内外一直得到了高度重视, 很多发达国家投入了大量的人力、物力和财力来发展,如美国“国家纳米技术”(National Nanotechnology Initiative)[32]等。
目前, 湿度传感器已不局限于简单的湿敏元件, 而是采用系统集成技术向智能化、网络化方向发展。许多公司生产的新型湿度传感器, 不仅采用了智能测试技术,还发挥数字化、网络化的特点,定义了通信协议,并得到了广泛的应用。
美国DALLAS公司的一线总线(1-wire-bus)[33,34],最初是针对温度传感器,对于湿度的测量,公司并未提供相应的传感器。但受其启发,一些公司定义了类似总线,如长英科技的ITU总线(inteligence Transfer Unit Bus)[35],并提供相应的温湿度ITU 模块,与1wire-bus兼容,不仅输出为数字信号, 而且具有精度高、体积小、互换性好、使用寿命长等优点, 由于每个模块都有一个独立地址,仅使用单片机一条口线与ITU 通信,所以可以方便地实现智能单元扩展, 组成多点多种传感器信号采集系统。这些新型现场总线所配备的相应总线模块具有极强的联
网特性, 在温湿度测控网络化方面得到了快速的发展。

参考文献
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大学，2002：4．5．
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应用[J]．仪表技术与传感器，2001(10)：44．45．
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