湿敏传感器及其测量电路

第三节 湿度传感器精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预 报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。 湿度传感器依据使用材料分类： 电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电 极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子 导电，随湿度升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制 成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气 的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸 渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有 机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工 艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件 1 等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

一、湿度表示法空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气 是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相 对湿度和绝对湿度、露点(霜点)等表示法。

1、质量百分比和体积百分比质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m,则 质量百分比为 m/M×100% 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v,则 体积百分比为 v/V×100% 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。

2、相对湿度和绝对湿度水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸 气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水 蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温 度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度RH p ps 100 %

绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为 v m V

m——待测空气中水蒸气质量； V——待测空气的总体积； ρv——待测空气的绝对湿度。

如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合 气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出： pM RT

P:空气中水蒸气分压；M:水蒸气的摩尔质 3 量

3、露(霜)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， 90%RH 露点/℃ 80%RH 称为空气的露点温度， 50 70%RH 60%RH 简称露点。如果这一温 40 50%RH 40%RH 度低于0℃时，水蒸气 30%RH 30 将结霜，又称为霜点温 20%RH 20 度。两者统称为

露点。 10%RH 空气中水蒸气压越小， 10 0 露点越低，因而可用露 10 20 30 40 50 点表示空气中的湿度。 -10 4温度/℃

二、湿度传感器的主要参数 1、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度 范围用相对湿度(0~100)%RH表示，它是湿度传感器 工作性能的一项重要指标。

2、感湿特征量——相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等， 通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范 围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性 曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度 的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿 敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负 特性湿敏电阻器，如TiO2-SnO2陶瓷湿敏电阻器。5

3、感湿灵敏度

简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度 范围内，相对湿度改变1%RH时，湿度传感器电参量的 变化值或百分率。 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同， 对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄， 要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵 敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二 次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。

4、特征量温度系数反映湿度传感器在感湿特征量——相对湿度特性曲线随 环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化 越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。 在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化 量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数。 电阻温度系数(%/℃)= 电容温度系数(%/℃)=R1 R 2 R1 T 100

C1 C 2 C 1 T

100

Δ T——温度25℃与另一规定环境温度之差； R1(C1)——温度25℃时湿度传感器的电阻值(或电容值); R2(C2)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。7

5、感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理 量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值 (或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个 规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温 度每变化1℃时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感 湿温度系数 H1 H 2 (%RH/℃)= T

ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差； H1——温度25℃时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对 应的相对湿度值； H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电 容值)对应的相对湿度。 8 下图为感湿温度系数示意图。

R T2

25℃

T2

C

T2

25℃ T2

H1 H2 相对湿度/% (a) 电阻型

H2

H1 H2 相对湿

度/% (b)电容型

H2

感湿温度系数示意图

6、响应时间

在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的 电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般 是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63%作 为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反 映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。 单位是s。也有规定从起始到终止90%的相对湿度变化作 为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响 应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿 响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应 时间。

7、电压特性当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能 用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子 的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压 采用交流电压。 Lg R /Ω 右图表示湿度传感器的电阻 20℃ 100Hz 与外加交流电压之间的关系。 8 11% RH 可见，测试电压小于5V时， 7 33% RH 电压对阻——湿特性没有影 6 响。但交流电压大于15V时， 75% RH 由于产生焦耳热，对湿度传 5 100% RH 感器的阻——湿特性产生了 4 5 0 1 2 3 4 较大影响，因而一般湿度传 U/V 感的使用电压都小于10V。11

8、频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。 在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随 着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种 湿度下，当测试频率小于103Hz时，阻值不随使用频率 而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为103Hz。湿 度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起 水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。Lg R /Ω 8 7 6 5 4 0 1 20℃ 5V 11% RH 33% RH 75% RH

100% RH5 4 Lg f / Hz 12 电阻-频率特性 2 3

三、电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液 体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能 全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体 电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶 液的浓度，在一定的温 …… 此处隐藏：2784字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……