傳感器課件第六章

1、第六章 濕度傳感器濕度傳感器 6.1 6.1 概概 述述 濕度傳感器濕度傳感器 6.2 6.2 電阻式濕度傳感器電阻式濕度傳感器 6.3 6.3 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器 6.4 6.4 其它類型濕度傳感器其它類型濕度傳感器 6.5 6.5 濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例 6.1.1 6.1.1 濕度表示法濕度表示法 6.1.2 6.1.2 濕度傳感器的分類濕度傳感器的分類 一、絕對濕度和相對濕度一、絕對濕度和相對濕度 空氣的絕對濕度（空氣的絕對濕度（v v）-單位體積內(nèi)空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量。單位體積內(nèi)空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量。 如待測空氣是由水蒸氣和干燥空氣組成的理想混合氣

2、體，得出：如待測空氣是由水蒸氣和干燥空氣組成的理想混合氣體，得出： v v = e M/RT = e M/RT e e 為一定溫度下空氣中水蒸氣的分壓，為一定溫度下空氣中水蒸氣的分壓， M M為水蒸氣的摩爾質(zhì)量，為水蒸氣的摩爾質(zhì)量，R R為理想氣體常數(shù)為理想氣體常數(shù) 飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓（e eS S）-指一定溫度下混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值指一定溫度下混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值 溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。 相對濕度（相對濕度（Relative HumidityRelative Humidity）-指指某一溫度下水蒸氣壓同飽和蒸氣某一溫度下水蒸氣壓同飽和蒸

3、氣 壓的百分比壓的百分比，為為: : RH = e/eRH = e/eS S100% 100% 一般用一般用 %RH %RH 表示表示 二、露（霜）點(diǎn)二、露（霜）點(diǎn) 其相對濕度為其相對濕度為100%RH100%RH， -如這一特定溫度低于如這一特定溫度低于00，水，水 蒸氣將會(huì)結(jié)霜，可稱為蒸氣將會(huì)結(jié)霜，可稱為霜點(diǎn)溫度霜點(diǎn)溫度， 統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為露點(diǎn)露點(diǎn)。 空氣中空氣中水蒸氣壓越小水蒸氣壓越小，露點(diǎn)越低露點(diǎn)越低， 可用露點(diǎn)表示空氣濕度的大小?？捎寐饵c(diǎn)表示空氣濕度的大小。 露點(diǎn)與相對濕度有對應(yīng)關(guān)系如圖露點(diǎn)與相對濕度有對應(yīng)關(guān)系如圖: : 溫度溫度- -相對濕度相對濕度- -露點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系露點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

4、10 20 30 40 50 1020304050-10 溫度（ C) 露點(diǎn)（ C) 10%RH 20%RH 30%RH 40%RH 50%RH 60%RH 70%RH 80%RH 90%RH 0 -隨環(huán)境溫度降低，水的隨環(huán)境溫度降低，水的es逐漸下降，其逐漸下降，其e與同溫度下的與同溫度下的es差值就越差值就越 小。小。當(dāng)下降到某一溫度時(shí)當(dāng)下降到某一溫度時(shí)，e = es 相等，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)相等，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn) 化而凝結(jié)為露珠，化而凝結(jié)為露珠，這一特定的這一特定的溫度溫度被稱為被稱為空氣的露點(diǎn)溫度空氣的露點(diǎn)溫度。 6.1.1 6.1.1 濕度表示法濕度表示法 6.1.2

5、6.1.2 濕度傳感器的分類濕度傳感器的分類 一、電阻式濕度傳感器一、電阻式濕度傳感器 -利用電導(dǎo)率與濕度的關(guān)系制成利用電導(dǎo)率與濕度的關(guān)系制成。 材料種類：材料種類： 1.1.多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料的種類最多，有：的種類最多，有：TiOTiO2 2-SnO-SnO2 2系系、 TiOTiO2 2-V-V2 2O O5 5 系系、 BaTiOBaTiO3 3-SrTiO-SrTiO3 3系系、TiOTiO2 2系系、MgCrxOMgCrxO4 4-TiO-TiO2 2系系、 SrTiOSrTiO3 3系系、LaLa2 2O O3 3-TiO-TiO2 2-V-V2 2O O5 5系系、ZrOZ

6、rO2 2-Y-Y2 2O O3 3系等。系等。 2.2.高分子電阻型高分子電阻型的主要材料的主要材料: :高分子固體電解質(zhì)材料，高分子固體電解質(zhì)材料， 如高氯酸鋰如高氯酸鋰- -聚氯化乙烯、聚氯化乙烯、NafionNafion膜、雙二甲胺基甲基乙膜、雙二甲胺基甲基乙 烯基硅烷和溴甲烷的季銨化物共聚物、四乙基硅烷的等離烯基硅烷和溴甲烷的季銨化物共聚物、四乙基硅烷的等離 子共聚膜等等子共聚膜等等。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :具有感濕靈敏度高、線性度好、響應(yīng)時(shí)間短、工藝簡具有感濕靈敏度高、線性度好、響應(yīng)時(shí)間短、工藝簡 單、成本低等。單、成本低等。 二、電容式濕度傳感器二、電容式濕度傳感器 -利用利用電極間介質(zhì)

7、吸附水蒸氣電極間介質(zhì)吸附水蒸氣時(shí)時(shí)電容量電容量發(fā)生變化制發(fā)生變化制 成成 按照極間介質(zhì)按照極間介質(zhì)分為：分為：有機(jī)高分子有機(jī)高分子和和陶瓷材料陶瓷材料兩大類。兩大類。 1.1.有機(jī)高分子電容式有機(jī)高分子電容式：醋酸纖維素及衍生物為介質(zhì)，醋酸纖維素及衍生物為介質(zhì)， 目前醋酸丁酸纖維素、聚酰亞胺、硅樹脂為介質(zhì)。目前醋酸丁酸纖維素、聚酰亞胺、硅樹脂為介質(zhì)。 2.2.陶瓷電容式陶瓷電容式：用玻璃和陶瓷如用玻璃和陶瓷如BaTiOBaTiO3 3-BaSnO-BaSnO2 2 P P型半型半 導(dǎo)體多孔陶瓷材料作介質(zhì)，導(dǎo)體多孔陶瓷材料作介質(zhì)， 通過控制陶瓷組分的分散性、孔徑、粒度等，改善了通過控制陶瓷組分的

8、分散性、孔徑、粒度等，改善了 組件的敏感特性。組件的敏感特性。 三、其它類型濕度傳感器三、其它類型濕度傳感器 新型濕度傳感器有：新型濕度傳感器有： 1.1.透光量隨濕度而改變的透光量隨濕度而改變的光纖濕度傳感器、光纖濕度傳感器、 2.2.在在H H2 2O-NO-N2 2氣氛下氣氛下穩(wěn)定化穩(wěn)定化ZrOZrO2 2限界電流型濕度傳感器限界電流型濕度傳感器 3.3.濃差電池式、濃差電池式、 4.4.二極管型、二極管型、 5.5.石英振子式、石英振子式、 6.SAW6.SAW式、式、 7.7.微波式、微波式、 8.8.熱導(dǎo)式等。熱導(dǎo)式等。 6.1 6.1 概概 述述 濕度傳感器濕度傳感器 6.2 6

9、.2 電阻式濕度傳感器電阻式濕度傳感器 6.3 6.3 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器 6.4 6.4 其它類型濕度傳感器其它類型濕度傳感器 6.5 6.5 濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例 6.2.1 6.2.1 陶瓷電阻式濕度傳感器陶瓷電阻式濕度傳感器 6.2.2 6.2.2 熱敏電阻絕對濕度傳感器熱敏電阻絕對濕度傳感器 6.2.3 6.2.3 高分子電阻式濕度傳感器高分子電阻式濕度傳感器 一、一、TiOTiO2 2SnOSnO2 2系復(fù)合氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器系復(fù)合氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 多為厚膜組件多為厚膜組件 制備方法制備方法: :TiOTiO2 2可采用可采用Ti

10、Ti的熱氟化法或的熱氟化法或TiClTiCl4 4還原性制作，還原性制作，由于非由于非 化學(xué)量而存在氧缺陷化學(xué)量而存在氧缺陷（表示表示TiOTiO2-x 2-x） ）。將。將TiOTiO2 2、SnOSnO2 2按一定摩爾比配按一定摩爾比配 料，摻入適量的料，摻入適量的TaTa2 2O O5 5或或SbSb2 2O O5 5、V V2 2O O5 5等等，經(jīng)研磨細(xì)化、加水懸浮、過經(jīng)研磨細(xì)化、加水懸浮、過 濾使氧化物顆粒逐漸沉淀到絕緣陶瓷襯底上，烘干后加熱至濾使氧化物顆粒逐漸沉淀到絕緣陶瓷襯底上，烘干后加熱至950950 12001200在缺氧氣氛中燒結(jié)。在缺氧氣氛中燒結(jié)。 制作的制作的TiOT

11、iO2 2濕敏材料為金紅石結(jié)構(gòu)的濕敏材料為金紅石結(jié)構(gòu)的n n型半導(dǎo)體多孔陶瓷型半導(dǎo)體多孔陶瓷，隨著，隨著 TaTa2 2O O5 5、SbSb2 2O O5 5的增加電阻下降，調(diào)整的增加電阻下降，調(diào)整TiOTiO2 2、SnOSnO2 2的配比和雜質(zhì)的量來的配比和雜質(zhì)的量來 控制濕阻特性?？刂茲褡杼匦?。 組件中毒后可加熱清洗來恢復(fù)。組件中毒后可加熱清洗來恢復(fù)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有氣敏性能，可制成多功能傳感器。具有氣敏性能，可制成多功能傳感器。 具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、工藝過程容易實(shí)現(xiàn)等。具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、工藝過程容易實(shí)現(xiàn)等。 二、二、 TiOTiO2 2系陶瓷濕敏系陶瓷濕敏

12、元件元件 水分子吸附在水分子吸附在n n型型TiOTiO2 2表面表面會(huì)引會(huì)引 起表面空間電荷區(qū)內(nèi)空穴濃度增加，起表面空間電荷區(qū)內(nèi)空穴濃度增加， 電阻率下降，電阻率下降，隨濕度增加而顯隨濕度增加而顯著著下下 降降。 TiOTiO2 2濕敏濕敏元元件的濕滯特性如圖，件的濕滯特性如圖， 顯然顯然，濕滯現(xiàn)象可忽略不計(jì)，響應(yīng)濕滯現(xiàn)象可忽略不計(jì)，響應(yīng) 速度快。速度快。 100204060800 102 103 104 105 106 10 7 108 相對濕度（%RH） R() TiOTiO2 2濕敏組件的濕滯曲線濕敏組件的濕滯曲線 及濕敏特性及濕敏特性 工藝：工藝：用典型陶瓷工藝在用典型陶瓷工藝在10

13、001000 13501350燒結(jié)后自然冷卻，用燒結(jié)后自然冷卻，用RuORuO2 2或或AgAg 制作電極。制作電極。 其中其中V V2 2O O5 5添加劑使材料半導(dǎo)化，添加劑使材料半導(dǎo)化，V V5+ 5+ 取代取代TiTi4+ 4+改變微孔參數(shù)和形狀使電導(dǎo) 改變微孔參數(shù)和形狀使電導(dǎo) 增大。增大。 濕度特性：濕度特性：測試的濕度環(huán)境用過飽和測試的濕度環(huán)境用過飽和 鹽溶液在鹽溶液在11%11%98%RH98%RH間進(jìn)行。如圖間進(jìn)行。如圖。 為避免為避免直流極化直流極化的影響，采用交的影響，采用交 流法測量，電壓為流法測量，電壓為8V8V，頻率為，頻率為150Hz150Hz。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有成本

14、低、濕度量程寬、靈：具有成本低、濕度量程寬、靈 敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、耐熱性能好等，敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、耐熱性能好等， 20406080100 107 106 105 相對濕度（%RH） R() TiOTiO2 2VV2 2O O5 5組件的阻組件的阻- -濕曲線濕曲線 三、三、TiOTiO2 2VV2 2O O5 5濕敏元件濕敏元件 四四、BaTiOBaTiO3 3SrTiOSrTiO3 3系多功能陶瓷材料濕度系多功能陶瓷材料濕度溫度傳感器溫度傳感器 多功能傳感器多功能傳感器-能檢測兩種或以上物理或化學(xué)參量且互不干擾的。能檢測兩種或以上物理或化學(xué)參量且互不干擾的。 原理：原理：利用利用BaTi

15、OBaTiO3 3SrTiOSrTiO3 3多孔陶瓷多孔陶瓷的的隨周圍濕度變化隨周圍濕度變化、隨環(huán)境隨環(huán)境T T 變化變化來制備濕度來制備濕度溫度傳感器，溫度傳感器， 測量速度快、靈敏度高。測量速度快、靈敏度高。 五五、MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2系濕敏系濕敏元元件件 MgCrMgCr2 2O O4 4陶瓷特點(diǎn)：抗腐蝕性好陶瓷特點(diǎn)：抗腐蝕性好、多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，響應(yīng)快多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，響應(yīng)快、濕滯小，且能濕滯小，且能 通過加熱清洗附著的油污或在低溫下不可逆的水化物反應(yīng)，是一種較優(yōu)良通過加熱清洗附著的油污或在低溫下不可逆的水化物反應(yīng)，是一種較優(yōu)良 的的濕敏材料濕敏材料。 工藝：工藝：

16、MgCrMgCr2 2O O4 4、TiOTiO2 2按適當(dāng)?shù)呐浔冉?jīng)陶瓷工藝按適當(dāng)?shù)呐浔冉?jīng)陶瓷工藝1250125013001300燒結(jié)成半導(dǎo)體燒結(jié)成半導(dǎo)體 陶瓷陶瓷，涂敷金漿后將鎳引線用摻金的玻璃粉粘住，涂敷金漿后將鎳引線用摻金的玻璃粉粘住，850850下燒結(jié)成敏感芯，下燒結(jié)成敏感芯， 配上加熱器即可。配上加熱器即可。 使用時(shí)，加熱清洗半分鐘至使用時(shí)，加熱清洗半分鐘至1 1分鐘（分鐘（350-450350-450下）。下）。 01020304050 60 70 80 電阻（） 松下 SM-1 105 10 6 10 7 相對濕度（%RH） 國產(chǎn)國產(chǎn)SM-1SM-1型和日本的松下型和日本的松下型

17、型 MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2濕度傳感器的感濕濕度傳感器的感濕 特性為特性為線性的線性的如圖。如圖。 相對濕度從相對濕度從1%RH1%RH100%RH100%RH的范圍的范圍 內(nèi)，電阻為內(nèi)，電阻為10104 410108 8。 感濕特性：感濕特性： 而而MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2半導(dǎo)體陶瓷的電阻率隨半導(dǎo)體陶瓷的電阻率隨 T T的升高而指數(shù)下降的升高而指數(shù)下降，即：，即： =0 0e eB/T B/T 0 0為起始電阻率，為起始電阻率，B B是與材料有關(guān)的常是與材料有關(guān)的常 數(shù)。數(shù)。 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，MgCrMgCr2 2O O4 4和和T

18、iOTiO2 2的摩爾百分比為的摩爾百分比為50%50%時(shí)，時(shí)，T T最小。最小。 六、六、 SrTiOSrTiO3 3電子型濕度傳感器電子型濕度傳感器 - -用鈣鈦礦型氧化物（用鈣鈦礦型氧化物（ABOABO3 3）研制的）研制的。用用A A位堿土金屬位堿土金屬鍶鍶離子較強(qiáng)離子較強(qiáng) 的親水性的濕敏材料如的親水性的濕敏材料如SrTiOSrTiO3 3，高溫（高溫（300300）下）下有有一定的濕敏性能一定的濕敏性能； 對對SrTiOSrTiO3 3非替代的鈣鈦礦型氧化物，非替代的鈣鈦礦型氧化物，雖雖對濕度有敏感性，但其電阻對濕度有敏感性，但其電阻 率太大，沒有多少實(shí)際使用價(jià)值。率太大，沒有多少實(shí)

19、際使用價(jià)值。 七、七、 陶瓷濕度傳感器的應(yīng)用陶瓷濕度傳感器的應(yīng)用 由于濕敏電阻隨溫度由于濕敏電阻隨溫度T T變化，具有負(fù)溫度系數(shù)，關(guān)系為：變化，具有負(fù)溫度系數(shù)，關(guān)系為： 1 / 0 TBTB T eRR RT0為T0時(shí)電阻值，B為常數(shù) 為消除溫度影響，與同溫度系數(shù)的為消除溫度影響，與同溫度系數(shù)的R RT T串串 聯(lián)，取出分壓。聯(lián)，取出分壓。因因直流供電直流供電利于提高精利于提高精 度便于數(shù)字化，度便于數(shù)字化， 但存在靜電容影響，使傳感器特性不佳；但存在靜電容影響，使傳感器特性不佳； 應(yīng)考慮應(yīng)考慮交流或脈沖電源供電交流或脈沖電源供電。 為使檢測濕度的為使檢測濕度的靈敏度最大靈敏度最大應(yīng)使應(yīng)使R

20、RT T=R=RH H，其其電壓經(jīng)跟隨器、整流、濾電壓經(jīng)跟隨器、整流、濾 波再與比較器波再與比較器1 1的參考的參考U U1 1比較以控制某一濕度。與比較器比較以控制某一濕度。與比較器2 2的參考的參考U U2 2比較比較 控制加熱電路，以便按一定時(shí)間加熱清洗?？刂萍訜犭娐罚员惆匆欢〞r(shí)間加熱清洗。 若要若要全濕度檢測全濕度檢測，應(yīng)使應(yīng)使R RT T和和R RH H的連接位置互換的連接位置互換，且且RRRRT T，此時(shí)信號(hào)，此時(shí)信號(hào) 電壓電壓U U經(jīng)過對數(shù)放大器后輸出與濕度成線性關(guān)系。經(jīng)過對數(shù)放大器后輸出與濕度成線性關(guān)系。 振振蕩蕩電電路路 控控 制制 器器 加加熱熱控控制制電電路路 測測量量

21、控控制制電電路路 濕濕 敏敏 電電 阻阻 U U 0 0 R R T T U U c cc c 1 1 2 2 + + _ _ 跟跟隨隨器器 整整流流濾濾波波 比比較較器器 R R H H 加加熱熱器器 U U 1 1 U U 2 2 輸輸出出 測量測量控制控制電路圖電路圖 6.2.1 6.2.1 陶瓷電阻式濕度傳感器陶瓷電阻式濕度傳感器 6.2.2 6.2.2 熱敏電阻絕對濕度傳感器熱敏電阻絕對濕度傳感器 6.2.3 6.2.3 高分子電阻式濕度傳感器高分子電阻式濕度傳感器 相對濕度（相對濕度（RHRH）受溫度影響較大，一個(gè)有限空間內(nèi)受溫度影響較大，一個(gè)有限空間內(nèi)因因空氣空氣 的熱傳導(dǎo)率低的

22、熱傳導(dǎo)率低溫度分布不均，室內(nèi)濕度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差溫度分布不均，室內(nèi)濕度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差； 絕對濕度（絕對濕度（vv）隨溫度變化不大隨溫度變化不大，不受水蒸氣分布的影不受水蒸氣分布的影 響，響，測量比較準(zhǔn)確。測量比較準(zhǔn)確。 -由兩個(gè)熱敏電阻構(gòu)成，各自加熱到約由兩個(gè)熱敏電阻構(gòu)成，各自加熱到約170170200200，其中，其中 一個(gè)封入干燥空氣成為補(bǔ)償組件一個(gè)封入干燥空氣成為補(bǔ)償組件R R2 2，另一個(gè)開放型作為感濕，另一個(gè)開放型作為感濕 組件組件RHRH，構(gòu)成電橋構(gòu)成電橋( (如圖如圖) )： 原理：原理：由于水蒸氣的熱傳導(dǎo)率由于水蒸氣的熱傳導(dǎo)率 比空氣的大，比空氣的大，空氣的熱傳導(dǎo)率空氣的熱傳

23、導(dǎo)率隨濕度變化隨濕度變化, ,使感濕使感濕元元件阻抗件阻抗 變化。橋路隨阻抗變化輸出與絕對濕度基本成正比。變化。橋路隨阻抗變化輸出與絕對濕度基本成正比。 芝浦電子所芝浦電子所CNS1CNS1型絕對型絕對 濕度輸出特性圖濕度輸出特性圖 Rs RH R2 R3 R4 AB E 輸出 Rm RH:濕敏元件R2:溫度補(bǔ)償元件 Rm:輸出回路電阻 15V 10K 10K 40時(shí) 0 10 20 30 40 50 60 0 2 3 4 5 6 7 8 1 絕對濕度(g/m3 ) 輸出(mV) 熱敏電阻絕對濕度傳感器熱敏電阻絕對濕度傳感器 負(fù) 載 RH R2 R3 R4 U1U2 RGAD522 U+U-

24、1 2 3 4 5 7 8 9 10k 11 12 13 14 6 U0 U+ 圖中：圖中：R RH H為開放型熱敏電阻（感濕組件）為開放型熱敏電阻（感濕組件），R R2 2為密封型熱敏電阻（補(bǔ)償組件）為密封型熱敏電阻（補(bǔ)償組件）， R R3 3和和R R4 4為溫度系數(shù)很小的電阻為溫度系數(shù)很小的電阻。 AD522AD522是是單芯片集成精密測量放大器。管腳單芯片集成精密測量放大器。管腳1.31.3接輸出，接輸出，4 4、6 6接接10k10k電位器調(diào)零電位器調(diào)零 點(diǎn)，點(diǎn)，其其滑動(dòng)端接負(fù)電源。滑動(dòng)端接負(fù)電源。2 2和和1414端連調(diào)整放大倍數(shù)端連調(diào)整放大倍數(shù)；1313端為數(shù)據(jù)屏蔽網(wǎng)以減少外端為

25、數(shù)據(jù)屏蔽網(wǎng)以減少外 電場對輸入信號(hào)的干擾，參考端電場對輸入信號(hào)的干擾，參考端1111接地。接地。 實(shí)用絕對濕度計(jì)原理圖實(shí)用絕對濕度計(jì)原理圖 放大倍數(shù)放大倍數(shù)G G： CMRR VV VV R K V G 1 2 200 1 21 210 當(dāng)共模抑制比當(dāng)共模抑制比CMRR1CMRR1時(shí)時(shí)，則有：則有： IN G V R K V 200 1 0 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間約約1212至至1313秒。秒。 使用時(shí)使用時(shí)需等需等加熱穩(wěn)定加熱穩(wěn)定使測量結(jié)果準(zhǔn)確。使測量結(jié)果準(zhǔn)確。 HS5HS5型由兩個(gè)熱敏電阻對構(gòu)成型由兩個(gè)熱敏電阻對構(gòu)成，可與，可與電橋組裝在一塊印刷電電橋組裝在一塊印刷電 路板上。路板上。 CHS-

26、2CHS-2傳感部直接由輸出電壓讀取絕對濕度傳感部直接由輸出電壓讀取絕對濕度。 輸入電壓輸入電壓V VIN IN=V =V1 1-V-V2 2 6.2.1 6.2.1 陶瓷電阻式濕度傳感器陶瓷電阻式濕度傳感器 6.2.2 6.2.2 熱敏電阻絕對濕度傳感器熱敏電阻絕對濕度傳感器 6.2.3 6.2.3 高分子電阻式濕度傳感器高分子電阻式濕度傳感器 一、高分子結(jié)構(gòu)效應(yīng)型濕度傳感器一、高分子結(jié)構(gòu)效應(yīng)型濕度傳感器 1.1.感濕電阻膜：感濕電阻膜：由含有強(qiáng)極性基的高分子電解質(zhì)由含有強(qiáng)極性基的高分子電解質(zhì)及其及其鹽類鹽類 如如NHNH4 4+ +ClCl- -、SOSO3 3- -H H+ +、NHNH

27、2 2等等高分子材料高分子材料制成制成。 2. 工作原理：工作原理：利用高分子電解質(zhì)在利用高分子電解質(zhì)在不同濕度下電離不同濕度下電離產(chǎn)生不產(chǎn)生不 同數(shù)量的導(dǎo)電離子使阻值變化，測定環(huán)境中的濕度。同數(shù)量的導(dǎo)電離子使阻值變化，測定環(huán)境中的濕度。 低濕吸附下，由于沒有荷電離子產(chǎn)生，電阻值很高。低濕吸附下，由于沒有荷電離子產(chǎn)生，電阻值很高。 相對濕度增加時(shí)相對濕度增加時(shí)，凝聚化的，凝聚化的吸附水吸附水成為導(dǎo)電通道，成為導(dǎo)電通道，高高 分子分子電解質(zhì)的成對離子起載流子作用電解質(zhì)的成對離子起載流子作用，吸附水自身離解的吸附水自身離解的 質(zhì)子（質(zhì)子（H H+ +）、水和氫離子（）、水和氫離子（H H3 3O

28、O+ +）也起載流子作用，使電阻）也起載流子作用，使電阻 急劇下降。急劇下降。 3 3元件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用元件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 元件結(jié)構(gòu)圖元件結(jié)構(gòu)圖：感濕膜感濕膜-由由PVAPVA（聚乙烯（聚乙烯 醇）和醇）和PSSPSS（聚苯乙烯磺酸銨）組成。（聚苯乙烯磺酸銨）組成。 基基片片-厚厚 0.6mm0.6mm氧化鉛，氧化鉛， 電極電極-Au-Au做成叉指型。做成叉指型。 利用導(dǎo)電性高分子對水蒸汽的物理吸附引利用導(dǎo)電性高分子對水蒸汽的物理吸附引 起電導(dǎo)率變化；起電導(dǎo)率變化； 感濕膜濕度特性曲線圖感濕膜濕度特性曲線圖： 存在溫度影響，故需溫度補(bǔ)償。存在溫度影響，故需溫度補(bǔ)償。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測量濕度范圍大，工作溫度

29、在測量濕度范圍大，工作溫度在 0 05050，響應(yīng)時(shí)間短（，響應(yīng)時(shí)間短（30 s30 s）。）。 感濕膜與保護(hù)膜 電極 基片 020 40 60 80 100 103 104 105 106 10 715 C 30 C 45 C 相對濕度（%） 電阻（） 為防直流電壓時(shí)產(chǎn)生極化，用為防直流電壓時(shí)產(chǎn)生極化，用505060Hz60Hz交流電源供電，交流電源供電， 溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮枧c濕敏電阻匹配，溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮枧c濕敏電阻匹配， 組件外組件外用發(fā)泡體聚丙烯包封構(gòu)成過濾器用發(fā)泡體聚丙烯包封構(gòu)成過濾器以防止灰塵、水和油等直接與感濕以防止灰塵、水和油等直接與感濕 膜接觸。膜接觸。 變 壓 器 濕敏 元

30、件 放大 整流 阻抗 變換 電平 檢測 濕度 顯示 直流基準(zhǔn) 電壓發(fā)生器 濕度給 定電路 比較器 末級(jí)前 置放大 濕度 控制器 溫度補(bǔ)償 濕度檢測控制系統(tǒng)方塊圖濕度檢測控制系統(tǒng)方塊圖 二、高分子脹縮型結(jié)露傳感器二、高分子脹縮型結(jié)露傳感器 1.1.結(jié)露傳感器的結(jié)構(gòu)結(jié)露傳感器的結(jié)構(gòu) 氧化鋁基板氧化鋁基板上制作上制作梳狀電極梳狀電極，覆蓋一層，覆蓋一層具有脹縮物粘合劑的聚合物具有脹縮物粘合劑的聚合物感濕性高分子感濕性高分子 為主體、為主體、摻入導(dǎo)電性微粉摻入導(dǎo)電性微粉的的感濕膜感濕膜，它它吸濕后產(chǎn)生體積變化吸濕后產(chǎn)生體積變化。 通過改變感濕功能聚合物與三維化學(xué)材料的比率，調(diào)整靈敏度、耐濕性、穩(wěn)定性通

31、過改變感濕功能聚合物與三維化學(xué)材料的比率，調(diào)整靈敏度、耐濕性、穩(wěn)定性 及阻值。及阻值。 基 板 感濕膜 電 極 引 線 2 2、原理：、原理： 感濕膜的電阻感濕膜的電阻與濕度與濕度m m變化規(guī)律為：變化規(guī)律為： mCa H eR )/( R RH H為感濕膜的體電阻，為感濕膜的體電阻，C C為導(dǎo)電微粉濃度，為導(dǎo)電微粉濃度，a a為由樹脂、導(dǎo)電微粉決定的系數(shù)為由樹脂、導(dǎo)電微粉決定的系數(shù) 在低濕時(shí)在低濕時(shí)，感濕膜吸附水分較少，親水性樹脂處于收縮狀態(tài)，導(dǎo)電微，感濕膜吸附水分較少，親水性樹脂處于收縮狀態(tài)，導(dǎo)電微 粉濃度相對較高，微粉間距較小，阻值較低。粉濃度相對較高，微粉間距較小，阻值較低。 濕度增加

32、濕度增加，膜吸收水分增多，微粉間距增大，阻值相應(yīng)增加。，膜吸收水分增多，微粉間距增大，阻值相應(yīng)增加。 高濕區(qū)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象時(shí)高濕區(qū)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象時(shí)，親水性樹脂吸濕量大大增加，感濕膜急劇膨，親水性樹脂吸濕量大大增加，感濕膜急劇膨 脹，微粉濃度迅速下降，微粉構(gòu)成的導(dǎo)電鏈越過脹，微粉濃度迅速下降，微粉構(gòu)成的導(dǎo)電鏈越過“臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)”, ,微粉間微粉間 連接極弱，阻值急劇增大，在結(jié)露點(diǎn)附近產(chǎn)生了電阻的開關(guān)型變化。連接極弱，阻值急劇增大，在結(jié)露點(diǎn)附近產(chǎn)生了電阻的開關(guān)型變化。 3. HDP3. HDP型結(jié)露傳感器的特性型結(jié)露傳感器的特性 濕度濕度- -阻值特性曲線：阻值特性曲線：結(jié)露時(shí)阻值可驟增結(jié)露時(shí)阻值

33、可驟增2 23 3個(gè)數(shù)量級(jí)，開關(guān)特性優(yōu)異。個(gè)數(shù)量級(jí)，開關(guān)特性優(yōu)異。 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間溫度關(guān)系：由于體積小，感濕膜很薄，響應(yīng)速度很快，常溫度關(guān)系：由于體積小，感濕膜很薄，響應(yīng)速度很快，常 濕下僅為濕下僅為1 12s2s。 60708090100 相對濕度（%RH） 10 102 103 104 R(k) 0204060 10 102 t(s) T( C) 使用電壓為使用電壓為5.5VDC5.5VDC，遠(yuǎn)高于其它品種（，遠(yuǎn)高于其它品種（0.8V0.8V），）， 可在其它高分子濕敏組件難以突破的高濕領(lǐng)域使用可在其它高分子濕敏組件難以突破的高濕領(lǐng)域使用，且長期穩(wěn)定且長期穩(wěn)定。 4. 4. 結(jié)露傳感器的

34、應(yīng)用結(jié)露傳感器的應(yīng)用 測量電路：測量電路：把結(jié)露組件安裝把結(jié)露組件安裝到到需檢測的附近，需檢測的附近，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)露時(shí)當(dāng)出現(xiàn)結(jié)露時(shí)機(jī)器自動(dòng)進(jìn)入強(qiáng)制停機(jī)器自動(dòng)進(jìn)入強(qiáng)制停 機(jī)狀態(tài)。機(jī)狀態(tài)。 如磁帶錄像機(jī)因結(jié)露而附著水珠如磁帶錄像機(jī)因結(jié)露而附著水珠，磁帶和移動(dòng)機(jī)構(gòu)間的摩擦力發(fā)生變化，使磁帶，磁帶和移動(dòng)機(jī)構(gòu)間的摩擦力發(fā)生變化，使磁帶 的走速不穩(wěn)定，磁鼓和磁頭的磁粉會(huì)受到損壞。的走速不穩(wěn)定，磁鼓和磁頭的磁粉會(huì)受到損壞。 可用于可用于檢測和防止攝像機(jī)檢測和防止攝像機(jī)和和VCDVCD結(jié)露、轎車風(fēng)擋和陳列窗玻璃結(jié)霧、復(fù)印機(jī)和建筑結(jié)露、轎車風(fēng)擋和陳列窗玻璃結(jié)霧、復(fù)印機(jī)和建筑 材料結(jié)露材料結(jié)露、高壓配電柜結(jié)露等等。高

35、壓配電柜結(jié)露等等。 D1 R1 R2 R3 R4 T1 T2 T3 T4 R5 R6 D2 C1 +12V 露點(diǎn)指 示燈 濕 敏 元 件 接擴(kuò)音器 RH 濕度傳感器濕度傳感器 6.3 6.3 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器 6.3.1 6.3.1 多孔多孔AlAl2 2O O3 3陶瓷電容式濕度傳感器陶瓷電容式濕度傳感器 6.3.2 6.3.2 高分子電容式濕度傳感器高分子電容式濕度傳感器 6.3.3 6.3.3 集成電容式濕度傳感器集成電容式濕度傳感器 一、一、多孔多孔濕敏電容模型濕敏電容模型 基于單元?dú)饪谆趩卧獨(dú)饪椎钠叫邪咫娙萜餍?yīng)的平行板電容器效應(yīng)， 結(jié)合結(jié)合理想結(jié)構(gòu)模型理想結(jié)構(gòu)模型

36、、吸附模型，吸附模型， 建立建立不同濕度下的濕敏電容模型。不同濕度下的濕敏電容模型。 在建模時(shí)，在建模時(shí)，忽略忽略氣孔底與下面金屬間的氣孔底與下面金屬間的電容電容、水吸附產(chǎn)生水吸附產(chǎn)生 兩相界面兩相界面電容電容，及毛細(xì)管凝聚的，及毛細(xì)管凝聚的修正修正。 該模型只能定性分析一些濕敏現(xiàn)象。該模型只能定性分析一些濕敏現(xiàn)象。 1. 1. 無濕度條件下的濕敏電容無濕度條件下的濕敏電容 濕度為濕度為0 0時(shí)，濕敏電容模型理想結(jié)構(gòu)示意圖：時(shí)，濕敏電容模型理想結(jié)構(gòu)示意圖： S2S3S4 d a dx r0 r Cl 細(xì)孔 孔壁 金膜上電極 d 鋁下電極 理想結(jié)構(gòu)示意圖 C0 (a)(a)低濕度單層吸附示意圖低

37、濕度單層吸附示意圖 (b)(b)高濕度多層吸附示意圖高濕度多層吸附示意圖 r r0 0為孔的半徑；為孔的半徑； d d為薄膜的厚度；為薄膜的厚度； d為水的有效厚度，為水的有效厚度， C1為固態(tài)為固態(tài)Al2O3介質(zhì)電容，介質(zhì)電容，C0為無濕度時(shí)細(xì)孔的電容值。為無濕度時(shí)細(xì)孔的電容值。 S2為有效物理吸附極板面積，為有效物理吸附極板面積， a為水的單分子吸附層厚度約為為水的單分子吸附層厚度約為3.0埃埃 器件的電容為：器件的電容為： C C = = C C1 1 + + C C0 0 表示為：表示為： d rr M d S MC 2 0 2 1111 1 d r M d S MC 2 0000 0

38、 1為為Al2O3介質(zhì)的介電常數(shù)約為介質(zhì)的介電常數(shù)約為8.6；0為空氣介質(zhì)電常數(shù)約為為空氣介質(zhì)電常數(shù)約為1。 M 為孔的個(gè)數(shù)；為孔的個(gè)數(shù)； 2. 2. 低濕度條件下的濕敏電容低濕度條件下的濕敏電容 在低濕度范圍內(nèi)在低濕度范圍內(nèi)，隨濕度的增加開始，隨濕度的增加開始笫一物理吸附層笫一物理吸附層，濕度達(dá)濕度達(dá)40%40%時(shí)笫一時(shí)笫一 物理吸附層接近完成物理吸附層接近完成，形成一層連續(xù)的水膜。，形成一層連續(xù)的水膜。 在低濕度水蒸汽吸附屬單分子吸附在低濕度水蒸汽吸附屬單分子吸附。 LangmuirLangmuir單分子吸附方程知，單分子吸附方程知，表面覆蓋度表面覆蓋度N/NN/N 與水蒸汽的相對蒸氣 與

39、水蒸汽的相對蒸氣 壓壓p pv v的關(guān)系為：的關(guān)系為： v v bp bp 1 b b為溫度為溫度T T的函數(shù)常數(shù)的函數(shù)常數(shù) 在壓力甚低時(shí)在壓力甚低時(shí)，分母中的，分母中的bpbpv v相對于相對于1 1可忽略，可忽略，與與p pv v成正比；成正比； 壓力增到一定值時(shí)壓力增到一定值時(shí)（多孔（多孔AlAl2 2O O3 3膜的相對濕度為膜的相對濕度為40%40%時(shí)），時(shí)），1 1相對于相對于bpbpv v可忽略，可忽略， 達(dá)到飽和值。達(dá)到飽和值。 低濕度下器件的電容為低濕度下器件的電容為：設(shè)孔底和孔壁的第一物理吸附層同時(shí)完成覆蓋，單孔設(shè)孔底和孔壁的第一物理吸附層同時(shí)完成覆蓋，單孔 濕敏電容模型低

40、濕度單層吸附濕敏電容模型低濕度單層吸附 0 4 0 3 0 2 1 ada S M d S M ddd MS CC S2為有效物理吸附極板面積，為有效物理吸附極板面積，S S3 3為無水區(qū)極板面積，為無水區(qū)極板面積，S S4 4為單分子吸附層對應(yīng)為單分子吸附層對應(yīng) 極板面積，極板面積，為水的相對介電常數(shù)約為為水的相對介電常數(shù)約為8080；a a為水的單分子吸附層厚度約為為水的單分子吸附層厚度約為3.03.0埃。埃。 因因0 0，rr0 0（幾百埃）（幾百埃）dd（幾個(gè)（幾個(gè)mm），簡化為：），簡化為： v p d abr MCC d ar M d ar MCCC 0 01 00 01 22 1

41、 2 在低濕度的條件下，在低濕度的條件下，電容是與相對濕度（電容是與相對濕度（相 相=p =pv v/p/pw w100%RH100%RH）成正比變化）成正比變化 3. 3. 高濕度條件下的濕敏電容高濕度條件下的濕敏電容 在高濕度內(nèi)，會(huì)形成多層物理吸附層。在高濕度內(nèi)，會(huì)形成多層物理吸附層。 V Vm m為飽和吸附分子的體積，為飽和吸附分子的體積， H H為為T T的函數(shù)常數(shù)的函數(shù)常數(shù) n n為最大的吸附層數(shù)，為最大的吸附層數(shù)， x x為相對濕度為相對濕度 高高濕濕下濕敏電容模型（單孔）器件的電容為：下濕敏電容模型（單孔）器件的電容為： 0 2 0 0 1 2 xx xxx ddd dr M d

42、 drd MCC d dx x為水分子吸為水分子吸 附層的厚度附層的厚度 1 1 0 2 01 11 11 1 n nn xm HxxH nxxn x HV d M CCC 高濕范圍內(nèi)，電容與吸附分子體積高濕范圍內(nèi)，電容與吸附分子體積V V成正比，成正比， 與相對濕度與相對濕度x x之間關(guān)系是非線性的。之間關(guān)系是非線性的。 二、電容濕敏感濕特性二、電容濕敏感濕特性 當(dāng)當(dāng)AlAl2 2O O3 3氣孔中有一定水汽吸附時(shí)氣孔中有一定水汽吸附時(shí)，其，其 電特性既不是一個(gè)純等效電阻，也不電特性既不是一個(gè)純等效電阻，也不 是一個(gè)純等效電容，濕度變化膜電阻是一個(gè)純等效電容，濕度變化膜電阻 和膜電容都將改變

43、。和膜電容都將改變。 圖，圖，對于電容對于電容相對濕度特性相對濕度特性的模型的模型 分析與實(shí)際測量曲線有著非常好的吻分析與實(shí)際測量曲線有著非常好的吻 合。合。 濕度增加電容值增加。濕度增加電容值增加。 0102030405060708090 100 5 10 15 20 25 30 35 B 相對濕度（%RH） 電容（F） 多孔多孔AlAl2 2O O3 3濕敏組件的電容濕敏組件的電容- -濕度曲線濕度曲線 低濕度范圍低濕度范圍有好的線性，有好的線性，高濕范圍高濕范圍線性變差，線性變差，濕度進(jìn)一步提高濕度進(jìn)一步提高曲線漸變平緩。曲線漸變平緩。 隨著孔的個(gè)數(shù)隨著孔的個(gè)數(shù)M M的增加，電容值是增大

44、的。的增加，電容值是增大的。 一、工作原理一、工作原理 電極間高分子感濕材料電極間高分子感濕材料吸附水分子吸附水分子時(shí)時(shí)變化變化，其電容量其電容量 d S C upu 0 其中其中 OHuru aW 2 )/( 0 PPbWu r r為為0%RH0%RH時(shí)高分子介電常數(shù)時(shí)高分子介電常數(shù),a,a、b b為常數(shù)，為常數(shù)，W Wu u 為為U%RHU%RH時(shí)高分子單時(shí)高分子單 位質(zhì)量所吸附水分子質(zhì)量，位質(zhì)量所吸附水分子質(zhì)量，H H2 2O O為高分子中吸附水的介電常數(shù)。為高分子中吸附水的介電常數(shù)。 0 0為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)；u u為相對濕度為相對濕度U%RHU%RH時(shí)高分子的介電常數(shù)；時(shí)

45、高分子的介電常數(shù)； S S為電極的有效電極面積；為電極的有效電極面積；d d為高分子感濕膜厚。為高分子感濕膜厚。 6.3.2 高分子電容式濕度傳感器 C與環(huán)境中水蒸汽相對壓（與環(huán)境中水蒸汽相對壓（P/P0）正比）正比 另外，交聯(lián)劑可封閉多余的吸水基，形成微孔結(jié)構(gòu)另外，交聯(lián)劑可封閉多余的吸水基，形成微孔結(jié)構(gòu)，控制微孔尺寸以阻止吸附控制微孔尺寸以阻止吸附 水分子之間的相互作用。水分子之間的相互作用。 二、感濕電容及其特性二、感濕電容及其特性 高分子感濕材料設(shè)計(jì)高分子感濕材料設(shè)計(jì)應(yīng)符合：應(yīng)符合： 1.1.靈敏度隨相對濕度變化靈敏度隨相對濕度變化呈線性呈線性，濕滯要小，溫度系數(shù)小，輸出不受其它氣體影，

46、濕滯要小，溫度系數(shù)小，輸出不受其它氣體影 響。響。 2.2.吸附量小且為物理吸附時(shí)，吸附水分子的量與平衡相對壓吸附量小且為物理吸附時(shí)，吸附水分子的量與平衡相對壓(P/P(P/P0 0) )呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 3.3.含有含有較弱極性基醚鍵（較弱極性基醚鍵（OO）、羰基（）、羰基（COCO）、巰基（）、巰基（SOSO2 2）等）等疏水性疏水性 高分子材料高分子材料，如，如醋酸丁酸纖維素（醋酸丁酸纖維素（CAB）以及聚酰亞胺（）以及聚酰亞胺（PI）等是）等是親水性較弱親水性較弱的聚的聚 合物。合物。 較大偶極矩的極性基與水分子有較強(qiáng)作用形成氫鍵結(jié)合，為較大偶極矩的極性基與水分子有較強(qiáng)作用形成

47、氫鍵結(jié)合，為化學(xué)吸附化學(xué)吸附。很難。很難 脫附，脫附，產(chǎn)生濕滯產(chǎn)生濕滯-防止或減弱水分子的凝聚是減小濕滯的關(guān)鍵之一（被吸附的水防止或減弱水分子的凝聚是減小濕滯的關(guān)鍵之一（被吸附的水 分子間相互作用產(chǎn)生凝聚（分子間相互作用產(chǎn)生凝聚（ClusterCluster） 可用可用疏水基疏水基分隔極性基防止吸附水分子凝聚，分隔極性基防止吸附水分子凝聚，有代表性的疏水基有代表性的疏水基有烷基、苯基有烷基、苯基 等碳?xì)?、碳氟化物。等碳?xì)洹⑻挤铩?左圖為左圖為MSR1MSR1型型高分子電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)，高分子電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)， 右圖為感濕特性曲線。右圖為感濕特性曲線。 引線 基片 下電極 感濕膜 上

48、電極 50 54 58 62 66 020406080100 加濕 減濕 C(pF) RH(%) Vaisala 濕度傳感器特性濕度傳感器特性 高分子濕度傳感器高分子濕度傳感器溫度系數(shù)溫度系數(shù)是非線性的，在是非線性的，在 10103030內(nèi)接近于常數(shù)內(nèi)接近于常數(shù)(0.05(0.050.5%RH/)0.5%RH/)， -5-5+20+20內(nèi)有內(nèi)有5%5%的漂移，的漂移， -40-40-5-5漂移達(dá)漂移達(dá)35%35%。 因因某些溫區(qū)介電常數(shù)某些溫區(qū)介電常數(shù)隨溫度呈上升趨勢，某隨溫度呈上升趨勢，某 些溫區(qū)些溫區(qū)則下降則下降 020406080 (%RH) 20 40 60 80 50 20 10 傳

49、感器示值（HMP-35） 標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器示值 (%RH) 溫度上升，高分子聚合物的平均溫度上升，高分子聚合物的平均熱線熱線膨膨脹脹，介質(zhì)膜厚，介質(zhì)膜厚d d增加，對增加，對C C呈負(fù)貢獻(xiàn)；呈負(fù)貢獻(xiàn)； 但膨脹又使介質(zhì)對水的吸附量增加，又呈正值貢獻(xiàn)。但膨脹又使介質(zhì)對水的吸附量增加，又呈正值貢獻(xiàn)。 可見濕敏可見濕敏電容的溫度特性電容的溫度特性受多種因素支配受多種因素支配: : 不同的濕度溫漂不同，不同的溫區(qū)不同的濕度溫漂不同，不同的溫區(qū) 呈不同的溫度系數(shù)，不同的感濕材料溫度特性不同?？傊?，呈不同的溫度系數(shù)，不同的感濕材料溫度特性不同?？傊⒎浅?shù)。并非常數(shù)。 高分子介質(zhì)在吸濕后，多相介質(zhì)復(fù)合高分子

50、介質(zhì)在吸濕后，多相介質(zhì)復(fù)合有加和性，提高了吸水異質(zhì)層的有加和性，提高了吸水異質(zhì)層的， 使使?jié)衩綦娙莸臐衩綦娙莸腃 C與相對濕度成正比與相對濕度成正比。 三、三、HumirelHumirel相對濕度電容傳感器相對濕度電容傳感器 第一層第一層為多孔海綿狀電容電極，抗機(jī)械及抗侵蝕，并作為環(huán)境過濾器能使水汽為多孔海綿狀電容電極，抗機(jī)械及抗侵蝕，并作為環(huán)境過濾器能使水汽 充分通過而阻止塵埃及化學(xué)物質(zhì)通過。充分通過而阻止塵埃及化學(xué)物質(zhì)通過。 第二層第二層為電容器的多分子聚合物夾層電介質(zhì)，對水汽有良好的敏感性。為電容器的多分子聚合物夾層電介質(zhì)，對水汽有良好的敏感性。 第三層第三層為超薄聚合物層，與襯底形成良

51、好接觸。為超薄聚合物層，與襯底形成良好接觸。 第四層第四層是用高密度材料的金屬襯底電極。是用高密度材料的金屬襯底電極。 測量環(huán)境濕度時(shí)，測量環(huán)境濕度時(shí)，水汽水汽通過通過多孔海綿狀電極多孔海綿狀電極到到電介質(zhì)層被吸收電介質(zhì)層被吸收使使介電常數(shù)介電常數(shù) 改變，改變，導(dǎo)致電容器輸出值升高導(dǎo)致電容器輸出值升高，測量即可，測量即可得濕度與電容的關(guān)系得濕度與電容的關(guān)系。 多層聚合物結(jié)構(gòu)多層聚合物結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖：結(jié)構(gòu)圖： MHS1100 相對濕度傳感器相對濕度傳感器：有完全互換性：有完全互換性、較較 高的可靠性高的可靠性、長期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性、可瞬間恢復(fù)。可瞬間恢復(fù)。 采用固態(tài)多聚物使其適用于包括浸在水中的自采

52、用固態(tài)多聚物使其適用于包括浸在水中的自 動(dòng)裝配過程。動(dòng)裝配過程。如圖如圖，線性關(guān)系線性關(guān)系。 020406080100 160 170 180 190 200 相對濕度（%RH) 電容（pF) 濕度傳感器的線性輸出濕度傳感器的線性輸出應(yīng)用電路應(yīng)用電路： 運(yùn)放運(yùn)放IC1 、運(yùn)放運(yùn)放IC2 、T1都是放大都是放大 功能：功能：片內(nèi)可完成信號(hào)的調(diào)整、精度高、線性好。片內(nèi)可完成信號(hào)的調(diào)整、精度高、線性好。 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖：兩個(gè)熱化聚合體層間形成的平板電容器：兩個(gè)熱化聚合體層間形成的平板電容器C C 可隨濕度變化可隨濕度變化 熱化聚合體層有防御污垢、灰塵、油及其它有害物質(zhì)的功能。熱化聚合體層有防御污垢、灰

53、塵、油及其它有害物質(zhì)的功能。 其引腳圖其引腳圖： OUT-+ IH3605IH3605結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 IH3605IH3605引腳圖正視圖引腳圖正視圖 6.3.3 6.3.3 集成電容式濕度傳感器集成電容式濕度傳感器IH3605 IH3605 一、一、IH3605IH3605的電壓輸出特性的電壓輸出特性 IH的輸出電壓較高且線性較好，無需放大及信號(hào)調(diào)整的輸出電壓較高且線性較好，無需放大及信號(hào)調(diào)整 溫度影響原理：溫度影響原理：實(shí)際相對濕度值的兩步計(jì)算實(shí)際相對濕度值的兩步計(jì)算 1. 計(jì)算出計(jì)算出2525的相對濕度值的相對濕度值RHRH0 0 020 40 6080 100 0.5 1.0 1

54、.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 輸出電壓（V) 相對濕度（%RH） 00C 250C 850C )16. 00062. 0(0RHUU DCout U Uout out為 為IH3605IH3605的電壓輸出值，的電壓輸出值，U UDC DC為 為IH3605IH3605的供電電壓值的供電電壓值 2.2. 計(jì)算出當(dāng)前溫度下實(shí)際相對濕度值計(jì)算出當(dāng)前溫度下實(shí)際相對濕度值RHRH。 t RH RH 00216. 0054. 1 0 t t為當(dāng)前的溫度值，單位為為當(dāng)前的溫度值，單位為 電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高 核心器件核心器件:AT89

55、C2051:AT89C2051單片機(jī)，單片機(jī)，TLC1549TLC1549十位串行十位串行A/DA/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，R R1 1、R R2 2、R R6 6設(shè)定設(shè)定 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，R R3 3、R R4 4、R R7 7設(shè)置設(shè)置A/DA/D的最小輸入電壓，溫度探頭的最小輸入電壓，溫度探頭D D2 2 全數(shù)字式測溫集成電路全數(shù)字式測溫集成電路DS1820DS1820，由，由P P10 10讀入溫度值 讀入溫度值 單片機(jī)將單片機(jī)將濕度值進(jìn)行溫度校正濕度值進(jìn)行溫度校正，得實(shí)際的相對濕度值。，得實(shí)際的相對濕度值。 MR PFI WDI RESET PFO W

56、DO D3 MAX813L 1 4 6 7 5 8 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P37 XTAL1 XTAL2 RET P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 2 3 6 7 9 11 5 4 8 12 13 14 15 16 17 18 19 D1 AT8902051 VCC R5 CLOCK CE DATA REF+ ANALOG REF- A1 TLC1549 1 2 36 5 7 R2 R6 R7 VCC R1R3 R4 FND DQ VCC - OUT + 1 2 3 1 2 3 D2 DS2820 A2 IH3605 B1 C1 C2 輸

57、出直接接到輸出直接接到A/DA/D上完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。上完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 由于由于IH3605IH3605的輸出信號(hào)范圍為的輸出信號(hào)范圍為0.80.83.9V3.9V（2525），應(yīng)選擇有設(shè)定最小值和），應(yīng)選擇有設(shè)定最小值和 最大值功能的最大值功能的A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。 二、典型應(yīng)用二、典型應(yīng)用 6.1 6.1 概概 述述 濕度傳感器濕度傳感器 6.2 6.2 電阻式濕度傳感器電阻式濕度傳感器 6.3 6.3 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器 6.4 6.4 其它類型濕度傳感器其它類型濕度傳感器 6.5 6.5 濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例 6.4.1 6.4.1 半導(dǎo)體結(jié)型和半導(dǎo)

58、體結(jié)型和MOSMOS型濕度傳感器型濕度傳感器 6.4.2 6.4.2 新型射頻傳感器新型射頻傳感器 6.4.3 6.4.3 光纖濕敏傳感器光纖濕敏傳感器 6.4.4 6.4.4 新型界限電流式高溫濕度傳感器新型界限電流式高溫濕度傳感器 一、濕敏二極管一、濕敏二極管 n-Si(5cm) Al SnO2 SiO2 200m Sn02濕敏二極管濕敏二極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): : N N型硅單晶材料型硅單晶材料: :尺寸尺寸2 22mm2mm2 2、厚、厚200m200m、電阻率、電阻率 為為5cm 5cm SiOSiO2 2層層: :10nm10nm。 良好的導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電性SnO2:再通入攜帶著二甲基二氯

59、化錫再通入攜帶著二甲基二氯化錫 蒸汽的惰性氣體，與通入的氧氣發(fā)生熱解和氧化蒸汽的惰性氣體，與通入的氧氣發(fā)生熱解和氧化 反應(yīng)為：反應(yīng)為： (CH3)2SnCl2十十O2 SnO2 + 2CH3Cl 還可摻入少量的提高導(dǎo)電性，類同于半導(dǎo)體中的還可摻入少量的提高導(dǎo)電性，類同于半導(dǎo)體中的N N型摻雜。型摻雜。 金屬鋁電極金屬鋁電極: : 硅片的背面和硅片的背面和SnOSnO2 2層，為使層，為使SnOSnO2 2表面充分裸露空氣中與水蒸表面充分裸露空氣中與水蒸 汽直接接觸，汽直接接觸，SnOSnO2 2上的電極不宜過大。上的電極不宜過大。 原理：原理：當(dāng)當(dāng)SnOSnO2 2濕敏二極管濕敏二極管加加恒定

60、反偏電壓，使恒定反偏電壓，使 二極管處在雪崩區(qū)附近，其反向電流與環(huán)境濕度二極管處在雪崩區(qū)附近，其反向電流與環(huán)境濕度 直接相關(guān)，直接相關(guān)，隨著相對濕度的增加隨著相對濕度的增加，反向電流減小反向電流減小。 由于濕敏二極管處于濕度環(huán)境時(shí)，二極管的由于濕敏二極管處于濕度環(huán)境時(shí)，二極管的 結(jié)區(qū)邊緣處吸附有水分子，使耗盡層展寬且主要結(jié)區(qū)邊緣處吸附有水分子，使耗盡層展寬且主要 向硅襯底方面擴(kuò)展，有利于二極管雪崩電壓的提向硅襯底方面擴(kuò)展，有利于二極管雪崩電壓的提 高。如果保持反向偏置電壓和負(fù)載電阻不變，那高。如果保持反向偏置電壓和負(fù)載電阻不變，那 么隨著相對濕度的增加，致使二極管雪崩擊穿電么隨著相對濕度的增加