湿滞现象小和可以加热清洗等各种优点。所以,半导体
陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件的生产和应用中 占有很重要的地位。
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第12章 湿敏传感器及其应用
金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同
可分为两大类:一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘 结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微
粒堆积体称为陶瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器
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第12章 湿敏传感器及其应用
12.2
电解质湿敏传感器
电解质湿敏传感器的湿敏元件主要包括潮解性盐元件、 非溶性盐薄膜元件和采用离子交换树脂元件，即包括 无机电解质和高分子电解质湿敏传感器两大类。 1、氯化锂电解质湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解, 离子导电率发 生变化而制成的测湿元件。结构如图所示, 由引线、 基 片、 感湿层与电极组成。
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第12章 湿敏传感器及其应用
利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏
器件。一般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸 发膜的湿敏器件电阻值低,被测湿度范围较大,但它也有 和锗膜湿敏器件同样的需要较长老化时间的缺点。
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第12章 湿敏传感器及其应用
图 为硒蒸发膜湿度传感器的结构,在绝缘瓷管表面
感湿 体 R u O2 电 极 隔漏 环 底板
4 1 2 感湿 体引 线 接线 柱 3
烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构
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第12章 湿敏传感器及其应用
MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性 (a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性
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第12章 湿敏传感器及其应用
度对电阻-湿度特性有影响,低湿时影响较大,相对湿度
不变的情况下,随着温度升高,电阻值变小。
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第12章 湿敏传感器及其应用
4）薄膜湿度传感器
薄膜湿度传感器的结构一般有两种形式,一种是在硼硅玻 璃或蓝宝石衬底上沉积一层氧化物薄膜,然后在薄膜上再蒸发 一对梳状电极;另一种是先在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上,用真 空蒸发方法制作下金电极,再用喷镀法或溅射法生成一层多孔 质的氧化物薄膜,然后再在此薄膜上蒸发上金电极,为了让水 蒸气顺利通过,金的厚度在70nm左右。薄膜湿度传感器的结 构如图所示。
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第12章 湿敏传感器及其应用
登莫式氯化锂湿敏传感器
A
B
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 上的铝丝。图12.3为湿敏特 性曲线。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
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电阻/106Ω
0.1
0.01 0 30 60 90
Li .2% 2
6
第12章 湿敏传感器及其应用
3.感湿灵敏度
在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿 度传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏
度,简称灵敏度,又称湿度系数。感湿灵敏度表征湿度传
感器对湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性 曲线是线性的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的; 如果湿度传感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大 小就与其工作的相对湿度范围有关。
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第12章 湿敏传感器及其应用
12.4 半导体湿度传感器
1.元素半导体湿敏器件
在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿
性的元素半导体薄膜,可形成湿敏电阻器。湿敏传感器就是 利用上述湿敏电阻器的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而
变化的现象制成的。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发
膜制备湿敏器件,锗的蒸发膜厚度适用于高湿度的测量。锗 的湿敏器件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比 较精确的测量结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化 需要较长时间,并且器件的重复性差。
电阻温度系数（%/°C）
R 2 R1 R1 T 100
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第12章 湿敏传感器及其应用 感湿温度系数（%RH/°C）
H 2 H1 T
ห้องสมุดไป่ตู้
式中,ΔT为一个温度(25°C)与另一规定环境温度之 差;H1 为温度为25°C时湿度传感器的某一电阻值对应 的相对湿度值;H2为另一规定环境温度下,湿度传感器的
1
7.0 6.5
吸附 脱附 15℃
4
电阻值的对数/
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 40 50 60 70 80 相对湿度/%RH 90
2
3 1— 引 线 ； 2— 基 片 ； 3— 感 湿 层 ； 4— 金 电 极
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第12章 湿敏传感器及其应用
2、高分子电解质湿敏传感器
利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理 来进行测量的。这类元件的感湿膜是高分子聚合物，但真 正起到吸湿导电作用的敏感物质是电解质。当水吸附在强 极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水 之间凝聚呈液态水状态。 在低湿情况下，由于没有电离子产生，电阻值很高； 相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分 子电解质的成对离子主要起载流子作用。 利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子 数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。
品种繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其性能也各有优劣。
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第12章 湿敏传感器及其应用
多孔质烧结型陶瓷MgCrO4-TiO2湿敏器件的结构如图所示。
加热 丝
图中1、4是加热器引出 线。电极材料选用RuO2, 这是因为所制成的RuO2 电极具有多孔性,允许水 分子通过电极到达陶瓷 表面,同时RuO2的热膨胀 系数与陶瓷体相一致,附 着力也比较好。另 外,RuO2化学性能稳定。
mV V
mV为待测混合气体中所含水蒸气的质量；V为待测混合 气体的总体积；PV为待测混合气体的绝对湿度，其单位 为g/m3
1
第12章 湿敏传感器及其应用
相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状
态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:
H PV PS 100%
保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到
第12章 湿敏传感器及其应用
第12章 湿敏传感器及其应用 12.1 湿敏传感器概述
一、湿度及其表示
湿度是指大气中的水蒸气含量. 在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使用绝 对湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。在一定温度和压力条 件下,单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度:
PV
3
第12章 湿敏传感器及其应用
根据水分子易于吸附在固体湿敏元件表面并渗透到固体内部 的特性可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型
电阻式湿敏传感器
湿 敏 传 感 器
水分子亲和力型湿 敏传感器
陶瓷式湿敏传感器 电容式湿敏传感器 电解质湿敏传感器
热敏电阻式湿敏传感器
非水分子亲和力型 湿敏传感器 红外线式湿敏传感器
饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为℃。
2
第12章 湿敏传感器及其应用
二、湿敏传感器分类 及其特性 湿敏传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系 的电量输出的装置。 能够用来制造湿度传感器的吸湿物质必须满足湿度-电 阻（或电容）特性可逆这一基本条件，同时应当具有良 好的重复性。 常用类型：机械式湿敏传感器及电子式湿敏传感器。 电子式有电介质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等 多种。
件,一般称为涂覆膜型湿度敏感器件。另一类陶瓷材料 是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成具有典 型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶瓷材料。它们 共同的特点是多孔状的多晶烧结体。因此,有时也将它 们称为烧结型陶瓷材料。
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第12章 湿敏传感器及其应用
1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件
涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较典型 且 性 能 较 好 的 是Fe3O4 湿 度 敏感 器 件 。 一 般 来 说, 像 Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的 材料。同时, Fe3O4 比其它金属氧化物材料具有比较低 的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4 做湿 敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。
1 00 2 0℃ 10
/ 电 阻 ×1 06
1
0 .1
0 .0 1 20
40
60
80
1 00
相对 湿度 / ％
硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系
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第12章 湿敏传感器及其应用
2. 金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件
金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗 沾污的特点,逐渐被人们所重视,相继出现了各种半导体 陶瓷湿敏器件。 半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境下使用几万 小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。半导体陶瓷湿 敏器件,在对湿度的测量方面,可以检测1%RH这样的低 湿状态,而且还具有响应快、精度高、使用温度范围宽、
微波式湿敏传感器
超声波式湿敏传感器
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第12章 湿敏传感器及其应用
湿度传感器的特性参数
1.湿度量程
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第12章 湿敏传感器及其应用
2. 感湿特征量-相对湿度特性曲线
每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、 电压、频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的 感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线,称为相对 湿度特性曲线,简称感湿特性曲线。通常希望特性曲线 应当在全量程上是连续的且呈线性关系。有的湿度传 感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为正特性 湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称 为负特性湿敏传感器。
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第12章 湿敏传感器及其应用
1 08 1 07
R /
1 06 1 05 1 04 1 03 0 0 .2 0 .4 RH 0 .6 0 .8 1
Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系