傳感器課件第六章

第六章濕度傳感器

6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例6.1.1濕度表示法6.1.2濕度傳感器的分類一、絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度

空氣的絕對(duì)濕度（ρv）----單位體積內(nèi)空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量。如待測(cè)空氣是由水蒸氣和干燥空氣組成的理想混合氣體，得出：ρv=eM/RTe為一定溫度下空氣中水蒸氣的分壓，M為水蒸氣的摩爾質(zhì)量，R為理想氣體常數(shù)飽和蒸氣壓（eS）---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。相對(duì)濕度（RelativeHumidity）----指某一溫度下水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，為:RH=e/eS×100%一般用%RH表示二、露（霜）點(diǎn)

其相對(duì)濕度為100%RH，----如這一特定溫度低于0℃，水蒸氣將會(huì)結(jié)霜，可稱為霜點(diǎn)溫度，統(tǒng)稱為露點(diǎn)。空氣中水蒸氣壓越小，露點(diǎn)越低，可用露點(diǎn)表示空氣濕度的大小。露點(diǎn)與相對(duì)濕度有對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖:溫度-相對(duì)濕度-露點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系-----隨環(huán)境溫度降低，水的es逐漸下降，其e與同溫度下的es差值就越小。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)化而凝結(jié)為露珠，這一特定的溫度被稱為空氣的露點(diǎn)溫度。6.1.1濕度表示法6.1.2濕度傳感器的分類一、電阻式濕度傳感器

---利用電導(dǎo)率與濕度的關(guān)系制成。材料種類：1.多孔陶瓷材料的種類最多，有：TiO2-SnO2系、TiO2-V2O5系、BaTiO3-SrTiO3系、TiO2系、MgCrxO4-TiO2系、SrTiO3系、La2O3-TiO2-V2O5系、ZrO2-Y2O3系等。2.高分子電阻型的主要材料:高分子固體電解質(zhì)材料，如高氯酸鋰-聚氯化乙烯、Nafion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、四乙基硅烷的等離子共聚膜等等。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(jiǎn)單、成本低等。二、電容式濕度傳感器

----利用電極間介質(zhì)吸附水蒸氣時(shí)電容量發(fā)生變化制成按照極間介質(zhì)分為：有機(jī)高分子和陶瓷材料兩大類。1.有機(jī)高分子電容式：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)。2.陶瓷電容式：用玻璃和陶瓷如BaTiO3-BaSnO2P型半導(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，改善了組件的敏感特性。三、其它類型濕度傳感器

新型濕度傳感器有：1.透光量隨濕度而改變的光纖濕度傳感器、2.在H2O-N2氣氛下穩(wěn)定化ZrO2限界電流型濕度傳感器3.濃差電池式、4.二極管型、5.石英振子式、6.SAW式、7.微波式、8.熱導(dǎo)式等。6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例6.2.1陶瓷電阻式濕度傳感器

6.2.2熱敏電阻絕對(duì)濕度傳感器

6.2.3高分子電阻式濕度傳感器

一、TiO2—SnO2系復(fù)合氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器

多為厚膜組件

制備方法:TiO2可采用Ti的熱氟化法或TiCl4還原性制作，由于非化學(xué)量而存在氧缺陷（表示TiO2-x）。將TiO2、SnO2按一定摩爾比配料，摻入適量的Ta2O5或Sb2O5、V2O5等，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950～1200℃在缺氧氣氛中燒結(jié)。制作的TiO2濕敏材料為金紅石結(jié)構(gòu)的n型半導(dǎo)體多孔陶瓷，隨著Ta2O5、Sb2O5的增加電阻下降，調(diào)整TiO2、SnO2的配比和雜質(zhì)的量來控制濕阻特性。組件中毒后可加熱清洗來恢復(fù)。

特點(diǎn)：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。二、TiO2系陶瓷濕敏元件

水分子吸附在n型TiO2表面會(huì)引起表面空間電荷區(qū)內(nèi)空穴濃度增加，電阻率下降，隨濕度增加而顯著下降。TiO2濕敏元件的濕滯特性如圖，顯然，濕滯現(xiàn)象可忽略不計(jì)，響應(yīng)速度快。TiO2濕敏組件的濕滯曲線及濕敏特性工藝：用典型陶瓷工藝在1000～1350℃燒結(jié)后自然冷卻，用RuO2或Ag制作電極。其中V2O5添加劑使材料半導(dǎo)化，V5+取代Ti4+改變微孔參數(shù)和形狀使電導(dǎo)增大。

濕度特性：測(cè)試的濕度環(huán)境用過飽和鹽溶液在11%～98%RH間進(jìn)行。如圖。為避免直流極化的影響，采用交流法測(cè)量，電壓為8V，頻率為150Hz。優(yōu)點(diǎn)：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，TiO2—V2O5組件的阻-濕曲線三、TiO2—V2O5濕敏元件四、BaTiO3—SrTiO3系多功能陶瓷材料濕度—溫度傳感器

多功能傳感器----能檢測(cè)兩種或以上物理或化學(xué)參量且互不干擾的。原理：利用BaTiO3—SrTiO3多孔陶瓷的ρ隨周圍濕度變化、ε隨環(huán)境T變化來制備濕度—溫度傳感器，測(cè)量速度快、靈敏度高。五、MgCr2O4—TiO2系濕敏元件

MgCr2O4陶瓷特點(diǎn)：抗腐蝕性好、多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，響應(yīng)快、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)良的濕敏材料。工藝：MgCr2O4、TiO2按適當(dāng)?shù)呐浔冉?jīng)陶瓷工藝1250～1300℃燒結(jié)成半導(dǎo)體陶瓷，涂敷金漿后將鎳引線用摻金的玻璃粉粘住，850℃下燒結(jié)成敏感芯，配上加熱器即可。使用時(shí)，加熱清洗半分鐘至1分鐘（350-450℃下）。國(guó)產(chǎn)SM-1型和日本的松下Ⅱ型MgCr2O4—TiO2濕度傳感器的感濕特性為線性的如圖。相對(duì)濕度從1%RH～100%RH的范圍內(nèi)，電阻為104～108Ω。感濕特性：而MgCr2O4—TiO2半導(dǎo)體陶瓷的電阻率隨T的升高而指數(shù)下降，即：

ρ=ρ0eB/T

ρ0為起始電阻率，B是與材料有關(guān)的常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明，MgCr2O4和TiO2的摩爾百分比為50%時(shí)，αT最小。六、SrTiO3電子型濕度傳感器

---用鈣鈦礦型氧化物（ABO3）研制的。用A位堿土金屬鍶離子較強(qiáng)的親水性的濕敏材料如SrTiO3，高溫（300℃）下有一定的濕敏性能；對(duì)SrTiO3非替代的鈣鈦礦型氧化物，雖對(duì)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。七、陶瓷濕度傳感器的應(yīng)用

由于濕敏電阻隨溫度T變化，具有負(fù)溫度系數(shù)，關(guān)系為：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RT串聯(lián)，取出分壓。因直流供電利于提高精度便于數(shù)字化，但存在靜電容影響，使傳感器特性不佳；應(yīng)考慮交流或脈沖電源供電。為使檢測(cè)濕度的靈敏度最大應(yīng)使RT=RH，其電壓經(jīng)跟隨器、整流、濾波再與比較器1的參考U1比較以控制某一濕度。與比較器2的參考U2比較控制加熱電路，以便按一定時(shí)間加熱清洗。若要全濕度檢測(cè)，應(yīng)使RT和RH的連接位置互換，且R>>RT，此時(shí)信號(hào)電壓U經(jīng)過對(duì)數(shù)放大器后輸出與濕度成線性關(guān)系。測(cè)量控制電路圖6.2.1陶瓷電阻式濕度傳感器

6.2.2熱敏電阻絕對(duì)濕度傳感器

6.2.3高分子電阻式濕度傳感器

相對(duì)濕度（RH）受溫度影響較大，一個(gè)有限空間內(nèi)因空氣的熱傳導(dǎo)率低溫度分布不均，室內(nèi)濕度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；絕對(duì)濕度（ρv）隨溫度變化不大，不受水蒸氣分布的影響，測(cè)量比較準(zhǔn)確。----由兩個(gè)熱敏電阻構(gòu)成，各自加熱到約170～200℃，其中一個(gè)封入干燥空氣成為補(bǔ)償組件R2，另一個(gè)開放型作為感濕組件RH，構(gòu)成電橋(如圖)：原理：由于水蒸氣的熱傳導(dǎo)率比空氣的大，空氣的熱傳導(dǎo)率隨濕度變化,使感濕元件阻抗變化。橋路隨阻抗變化輸出與絕對(duì)濕度基本成正比。芝浦電子所CNS—1型絕對(duì)濕度輸出特性圖熱敏電阻絕對(duì)濕度傳感器圖中：RH為開放型熱敏電阻（感濕組件），R2為密封型熱敏電阻（補(bǔ)償組件），R3和R4為溫度系數(shù)很小的電阻。AD522是單芯片集成精密測(cè)量放大器。管腳1.3接輸出，4、6接10kΩ電位器調(diào)零點(diǎn)，其滑動(dòng)端接負(fù)電源。2和14端連調(diào)整放大倍數(shù)；13端為數(shù)據(jù)屏蔽網(wǎng)以減少外電場(chǎng)對(duì)輸入信號(hào)的干擾，參考端11接地。實(shí)用絕對(duì)濕度計(jì)原理圖放大倍數(shù)G：當(dāng)共模抑制比CMRR>>1時(shí)，則有：

響應(yīng)時(shí)間約12至13秒。使用時(shí)需等加熱穩(wěn)定使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。HS—5型由兩個(gè)熱敏電阻對(duì)構(gòu)成，可與電橋組裝在一塊印刷電路板上。CHS-2傳感部直接由輸出電壓讀取絕對(duì)濕度。輸入電壓VIN=V1-V2

6.2.1陶瓷電阻式濕度傳感器

6.2.2熱敏電阻絕對(duì)濕度傳感器

6.2.3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1.感濕電阻膜：由含有強(qiáng)極性基的高分子電解質(zhì)及其鹽類如―NH4+Cl-―、―SO3-H+、―NH2等高分子材料制成。2.工作原理：利用高分子電解質(zhì)在不同濕度下電離產(chǎn)生不同數(shù)量的導(dǎo)電離子使阻值變化，測(cè)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。相對(duì)濕度增加時(shí)，凝聚化的吸附水成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的成對(duì)離子起載流子作用，吸附水自身離解的質(zhì)子（H+）、水和氫離子（H3O+）也起載流子作用，使電阻急劇下降。

3．元件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用元件結(jié)構(gòu)圖：感濕膜---由PVA（聚乙烯醇）和PSS（聚苯乙烯磺酸銨）組成?；?--厚0.6mm氧化鉛，電極---Au做成叉指型。利用導(dǎo)電性高分子對(duì)水蒸汽的物理吸附引起電導(dǎo)率變化；感濕膜濕度特性曲線圖：存在溫度影響，故需溫度補(bǔ)償。

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量濕度范圍大，工作溫度在0～50℃，響應(yīng)時(shí)間短（<30s）。為防直流電壓時(shí)產(chǎn)生極化，用50～60Hz交流電源供電，溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮枧c濕敏電阻匹配，組件外用發(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膜接觸。濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)方塊圖二、高分子脹縮型結(jié)露傳感器

1.結(jié)露傳感器的結(jié)構(gòu)

氧化鋁基板上制作梳狀電極，覆蓋一層具有脹縮物粘合劑的聚合物感濕性高分子為主體、摻入導(dǎo)電性微粉的感濕膜，它吸濕后產(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)定性及阻值。2、原理：感濕膜的電阻與濕度m變化規(guī)律為：RH為感濕膜的體電阻，C為導(dǎo)電微粉濃度，a為由樹脂、導(dǎo)電微粉決定的系數(shù)

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)電微粉濃度相對(duì)較高，微粉間距較小，阻值較低。

濕度增加，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)，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“臨界狀態(tài)”,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。3.HDP型結(jié)露傳感器的特性

濕度-阻值特性曲線：結(jié)露時(shí)阻值可驟增2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，開關(guān)特性優(yōu)異。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，常濕下僅為1～2s。使用電壓為5.5VDC，遠(yuǎn)高于其它品種（0.8V），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(zhǎng)期穩(wěn)定。4.結(jié)露傳感器的應(yīng)用測(cè)量電路：把結(jié)露組件安裝到需檢測(cè)的附近，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)狀態(tài)。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，使磁帶的走速不穩(wěn)定，磁鼓和磁頭的磁粉會(huì)受到損壞?？捎糜跈z測(cè)和防止攝像機(jī)和VCD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、高壓配電柜結(jié)露等等。濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.3.1多孔Al2O3—陶瓷電容式濕度傳感器

6.3.2高分子電容式濕度傳感器

6.3.3集成電容式濕度傳感器

一、多孔濕敏電容模型基于單元?dú)饪椎钠叫邪咫娙萜餍?yīng)，結(jié)合理想結(jié)構(gòu)模型、吸附模型，建立不同濕度下的濕敏電容模型。在建模時(shí)，忽略氣孔底與下面金屬間的電容、水吸附產(chǎn)生兩相界面電容，及毛細(xì)管凝聚的修正。該模型只能定性分析一些濕敏現(xiàn)象。1.無濕度條件下的濕敏電容濕度為0時(shí)，濕敏電容模型理想結(jié)構(gòu)示意圖：(a)低濕度單層吸附示意圖(b)高濕度多層吸附示意圖r0為孔的半徑；d為薄膜的厚度；dˊ為水的有效厚度，C1為固態(tài)Al2O3介質(zhì)電容，C0為無濕度時(shí)細(xì)孔的電容值。S2ˊ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3.0埃器件的電容為：

C=C1+C0

表示為：ε1為Al2O3介質(zhì)的介電常數(shù)約為8.6；ε0為空氣介質(zhì)電常數(shù)約為1。M為孔的個(gè)數(shù)；2.低濕度條件下的濕敏電容

在低濕度范圍內(nèi)，隨濕度的增加開始笫一物理吸附層，濕度達(dá)40%時(shí)笫一物理吸附層接近完成，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。Langmuir單分子吸附方程知，表面覆蓋度θ≡N/N∞與水蒸汽的相對(duì)蒸氣壓pv的關(guān)系為：b為溫度T的函數(shù)常數(shù)

在壓力甚低時(shí)，分母中的bpv相對(duì)于1可忽略，θ與pv成正比；

壓力增到一定值時(shí)（多孔Al2O3膜的相對(duì)濕度為40%時(shí)），1相對(duì)于bpv可忽略，θ達(dá)到飽和值。

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，單孔濕敏電容模型低濕度單層吸附

S2ˊ為有效物理吸附極板面積，S3ˊ為無水區(qū)極板面積，S4ˊ為單分子吸附層對(duì)應(yīng)極板面積，ε′為水的相對(duì)介電常數(shù)約為80；a為水的單分子吸附層厚度約為3.0埃。因ε0<<ε′，α<<r0（幾百埃）<<d（幾個(gè)μm），簡(jiǎn)化為：∴在低濕度的條件下，電容是與相對(duì)濕度（ρ相=pv/pw×100%RH）成正比變化3.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。Vm為飽和吸附分子的體積，H為T的函數(shù)常數(shù)n為最大的吸附層數(shù)，x為相對(duì)濕度高濕下濕敏電容模型（單孔）器件的電容為：dx為水分子吸附層的厚度∴高濕范圍內(nèi)，電容與吸附分子體積V成正比，與相對(duì)濕度x之間關(guān)系是非線性的。二、電容濕敏感濕特性

當(dāng)Al2O3氣孔中有一定水汽吸附時(shí)，其電特性既不是一個(gè)純等效電阻，也不是一個(gè)純等效電容，濕度變化膜電阻和膜電容都將改變。圖，對(duì)于電容—相對(duì)濕度特性的模型分析與實(shí)際測(cè)量曲線有著非常好的吻合。濕度增加電容值增加。多孔Al2O3濕敏組件的電容-濕度曲線低濕度范圍有好的線性，高濕范圍線性變差，濕度進(jìn)一步提高曲線漸變平緩。隨著孔的個(gè)數(shù)M的增加，電容值是增大的。一、工作原理

電極間高分子感濕材料吸附水分子時(shí)ε變化，其電容量其中εr為0%RH時(shí)高分子介電常數(shù),a、b為常數(shù)，Wu為U%RH時(shí)高分子單位質(zhì)量所吸附水分子質(zhì)量，εH2O為高分子中吸附水的介電常數(shù)。ε0為真空介電常數(shù)；εu為相對(duì)濕度U%RH時(shí)高分子的介電常數(shù)；S為電極的有效電極面積；d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(duì)壓（P/P0）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)，控制微孔尺寸以阻止吸附水分子之間的相互作用。二、感濕電容及其特性

高分子感濕材料設(shè)計(jì)應(yīng)符合：1.靈敏度隨相對(duì)濕度變化呈線性，濕滯要小，溫度系數(shù)小，輸出不受其它氣體影響。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(duì)壓(P/P0)呈線性關(guān)系。3.含有較弱極性基醚鍵（—O—）、羰基（—CO—）、巰基（—SO2—）等疏水性高分子材料，如醋酸丁酸纖維素（CAB）以及聚酰亞胺（PI）等是親水性較弱的聚合物?！咻^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，為化學(xué)吸附。很難脫附，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（被吸附的水分子間相互作用產(chǎn)生凝聚（Cluster））

∴可用疏水基分隔極性基防止吸附水分子凝聚，有代表性的疏水基有烷基、苯基等碳?xì)?、碳氟化物。左圖為MSR—1型高分子電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)，右圖為感濕特性曲線。Vaisala濕度傳感器特性高分子濕度傳感器溫度系數(shù)α是非線性的，在10～30℃內(nèi)接近于常數(shù)(0.05～0.5%RH/℃)，-5～+20℃內(nèi)有5%的漂移，-40～-5℃漂移達(dá)35%。因某些溫區(qū)介電常數(shù)ε隨溫度呈上升趨勢(shì)，某些溫區(qū)ε則下降∵溫度上升，高分子聚合物的平均熱線膨脹，介質(zhì)膜厚d增加，對(duì)C呈負(fù)貢獻(xiàn)；但膨脹又使介質(zhì)對(duì)水的吸附量增加，又呈正值貢獻(xiàn)?？梢姖衩綦娙莸臏囟忍匦允芏喾N因素支配: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?，α并非常數(shù)?！喔叻肿咏橘|(zhì)在吸濕后，多相介質(zhì)復(fù)合ε有加和性，提高了吸水異質(zhì)層的ε，使?jié)衩綦娙莸腃與相對(duì)濕度成正比。三、Humirel相對(duì)濕度電容傳感器

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)境過濾器能使水汽充分通過而阻止塵埃及化學(xué)物質(zhì)通過。第二層為電容器的多分子聚合物夾層電介質(zhì)，對(duì)水汽有良好的敏感性。第三層為超薄聚合物層，與襯底形成良好接觸。第四層是用高密度材料的金屬襯底電極。

測(cè)量環(huán)境濕度時(shí)，水汽通過多孔海綿狀電極到電介質(zhì)層被吸收使介電常數(shù)改變，導(dǎo)致電容器輸出值升高，測(cè)量即可得濕度與電容的關(guān)系。多層聚合物結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖：

MHS1100

相對(duì)濕度傳感器：有完全互換性、較高的可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、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動(dòng)裝配過程。如圖，線性關(guān)系。濕度傳感器的線性輸出應(yīng)用電路：運(yùn)放IC1

、運(yùn)放IC2、T1都是放大

功能：片內(nèi)可完成信號(hào)的調(diào)整、精度高、線性好。

結(jié)構(gòu)圖：兩個(gè)熱化聚合體層間形成的平板電容器C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。

其引腳圖：IH3605結(jié)構(gòu)示意圖IH3605引腳圖正視圖6.3.3集成電容式濕度傳感器IH3605一、IH3605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)整溫度影響原理：實(shí)際相對(duì)濕度值的兩步計(jì)算

1.計(jì)算出25℃的相對(duì)濕度值RH0

Uout為IH3605的電壓輸出值，UDC為IH3605的供電電壓值

2.

計(jì)算出當(dāng)前溫度下實(shí)際相對(duì)濕度值RH。

t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

核心器件:AT89C2051單片機(jī)，TLC1549十位串行A/D轉(zhuǎn)換器，R1、R2、R6設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，R3、R4、R7設(shè)置A/D的最小輸入電壓，溫度探頭D2全數(shù)字式測(cè)溫集成電路DS1820，由P10讀入溫度值單片機(jī)將濕度值進(jìn)行溫度校正，得實(shí)際的相對(duì)濕度值。

輸出直接接到A/D上完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于IH3605的輸出信號(hào)范圍為0.8～3.9V（25℃），應(yīng)選擇有設(shè)定最小值和最大值功能的A/D轉(zhuǎn)換器。二、典型應(yīng)用6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例6.4.1半導(dǎo)體結(jié)型和MOS型濕度傳感器

6.4.2新型射頻傳感器

6.4.3光纖濕敏傳感器

6.4.4新型界限電流式高溫濕度傳感器

一、濕敏二極管

Sn02濕敏二極管結(jié)構(gòu):N型硅單晶材料:尺寸2×2mm2、厚200μm、電阻率為5Ω·cmSiO2層:10nm。良好的導(dǎo)電性SnO2: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)生熱解和氧化反應(yīng)為：(CH3)2SnCl2十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N型摻雜。金屬鋁電極:硅片的背面和SnO2層，為使SnO2表面充分裸露空氣中與水蒸汽直接接觸，SnO2上的電極不宜過大。原理：當(dāng)SnO2濕敏二極管加恒定反偏電壓，使二極管處在雪崩區(qū)附近，其反向電流與環(huán)境濕度直接相關(guān)，隨著相對(duì)濕度的增加，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(duì)濕度的增加，致使二極管雪崩擊穿電壓提高，反向電流的減小。響應(yīng)時(shí)間僅為15s，且低濕到高濕范圍內(nèi)都有比較高的靈敏度。SnO2濕敏二極管感濕特性曲線二、濕敏MOS場(chǎng)效應(yīng)管

MOS場(chǎng)效應(yīng)管濕敏器件：在MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極上涂覆一層感濕薄膜,增設(shè)一電極濕敏器件和熱敏器件都集成在同一襯底上，如圖。在下電極和上電極（厚度10～20μm的多孔金電極）之間沉淀1nm厚的醋酸纖維素作為濕度敏感膜。聚合物濕敏材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫等特點(diǎn)，感濕材料和幾何形狀直接影響器件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。

左圖：施加一個(gè)直流電壓U0和一個(gè)交流電壓于上柵電極，上柵極和下柵極用一個(gè)足夠大的電阻RB連接起來。其輸出電壓Uout與膜的電容CS關(guān)系：濕敏器件的等效電路圖RL為與漏極相連接的負(fù)載電阻；gm為FET的跨導(dǎo)；Ci為絕緣層的電容；Cs為取決于環(huán)境的相對(duì)濕度和其它適當(dāng)?shù)某?shù)如圖，輸出電壓Uout幾乎同相對(duì)濕度呈線性關(guān)系。具有良好的精度（濕滯小于3%RH），響應(yīng)時(shí)間小于30s。高濕（90～95%RH）或結(jié)露下也長(zhǎng)期穩(wěn)定性。Uout=U0RLgm/(1+Ci/Cs)由于在有色冶煉中重油中的水份對(duì)爐內(nèi)的燃燒和冶金反應(yīng)過程有很大影響。要對(duì)其含水量進(jìn)行測(cè)量。電導(dǎo)法微波法射頻法電容法色譜法蒸餾法水量測(cè)量新型6.4.2新型射頻傳感器

一、射頻傳感器原理

多種碳?xì)浠衔锘旌系募冎赜蛯儆诜菢O性介質(zhì)，其ε約為2.3；而純水是極性分子，ε約為80，所以含水量將顯著地影響重油的ε。含水重油可看作純油和純水兩種介質(zhì)的混合，有效介電常數(shù)εr介于二者之間（若忽略重油中所含雜質(zhì)），表示：ε1為純水的介電常數(shù)，ε2為純油的介電常數(shù)，D為介質(zhì)水的體積百分比當(dāng)射頻信號(hào)傳到以油水混合物介質(zhì)的電容式射頻傳感器時(shí)，其負(fù)載阻抗隨著混合介質(zhì)中不同的油水比而變化，混合介質(zhì)的射頻阻抗Z為：ω為射頻信號(hào)角頻率(f＝10MHz)；C為電容量；K為常數(shù)，由電容器的結(jié)構(gòu)、尺寸決定?？梢?，傳感器的射頻阻抗Z與油中含水量D關(guān)系-----射頻式傳感器基本原理。二、傳感器探頭設(shè)計(jì)射頻阻抗測(cè)量電路：測(cè)量純水和純油介質(zhì)的輸出電壓（U）隨射頻信號(hào)頻率（f）變化。油和水的阻抗特性隨f的改變而變化曲線：在10MHz頻率點(diǎn)上，油和水的射頻阻抗特性差別最大，∴把傳感器的信號(hào)源頻率設(shè)計(jì)成10MHz。原理：若R0為射頻信號(hào)源輸出阻抗，Cx為測(cè)量電容器等效電容。當(dāng)電容介質(zhì)改變Cx變化，所呈現(xiàn)的阻抗也會(huì)改變。為減少射頻信號(hào)對(duì)其它電路的干擾，將射頻信號(hào)源與傳感器為一體。R0應(yīng)滿足：R0Cxm＜TT為射頻信號(hào)源的周期；Cxm為傳感器測(cè)量電容器等效電容為最大時(shí)的電容量。重油含水率測(cè)量系統(tǒng)框圖：測(cè)量時(shí)，將傳感器探頭插入樣品中，檢測(cè)水分電壓值UW和溫度電壓值UT，兩路電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路和高精度儀用放大器放大后，送入PCL—711數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、溫度補(bǔ)償、顯示和打印。測(cè)量系統(tǒng)框圖終端的中間為發(fā)射極，探頭外導(dǎo)體上沿軸向均勻分布四根接收電極；射頻電源和轉(zhuǎn)換電路集成在探頭內(nèi);加上屏蔽銅套以減少外界電磁干擾；裝有一個(gè)熱敏電阻器測(cè)量介質(zhì)溫度以便進(jìn)行補(bǔ)償。電容器敏感探頭可將重油的含水率轉(zhuǎn)換為探頭的電容量相應(yīng)的電信號(hào)，由此測(cè)出重油的含水率。射頻傳感器探頭結(jié)構(gòu)圖：優(yōu)點(diǎn)：可在易燃、易爆、有毒、強(qiáng)化學(xué)腐蝕的惡劣環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。一種新型濕敏材料：用溶膠-凝膠法制備的TiO2/V2O5薄膜具有濕敏光學(xué)特性。6.4.3光纖濕敏傳感器濕敏—光譜特性曲線圖：濕度越大，透過率越高。對(duì)不同的波長(zhǎng)，透過率隨著相對(duì)濕度的升高而升高。TiO2/V2O5光學(xué)薄膜有較好的濕敏效應(yīng):

1.當(dāng)空氣中水分子含量很少時(shí)，n型半導(dǎo)體TiO2吸附將表現(xiàn)為金屬離子與水中OH-的吸引，使原來氧俘獲的電子局部釋放載流子濃度增加。環(huán)境濕度增加水分子的吸附量增加，表面層處集積更多的電子，n型半導(dǎo)體近表面層處的電阻隨環(huán)境濕度的增加而下降。2.對(duì)n型半導(dǎo)體，吸收系數(shù)α與電導(dǎo)率和折射率n成反比。濕度增加使n型TiO2的電導(dǎo)率增加，則α隨濕度的增加而減小。且對(duì)酒精氣體和溫度都很靈敏，有良好的耐磨性，可能發(fā)展成為光纖傳感器的多功能薄膜，有較大的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α?.4.4新型界限電流式高溫濕度傳感器

傳統(tǒng)的濕度傳感器難對(duì)高溫下濕度測(cè)定，新型高溫濕度敏感組件:當(dāng)給ZrO2固體電解質(zhì)界限電流氧傳感器施加1.4V以上電壓時(shí)，在高溫氣氛下水分子的分解會(huì)導(dǎo)致與氧有關(guān)的界限電流的改變。一、界限電流式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

隨相對(duì)濕度變化的電流-電壓特性圖：結(jié)構(gòu):同界限電流式ZrO2氧敏元件的結(jié)構(gòu)，原理：陰極一側(cè)所形成的極小孔洞對(duì)流入氣體的限制作用，在氧濃度一定時(shí)輸出電流不再隨外加電壓的增加而增大，達(dá)界限電流值。置于含水蒸汽的環(huán)境中提高的工作電壓，能測(cè)量到很顯著的第二界限電流值。按照氣體擴(kuò)散孔限制Ficks法則，假定氧的擴(kuò)散系數(shù)與水蒸汽的擴(kuò)散系數(shù)相等下，第一界限電流I1值與第二界限電流I2值分別與氧分壓和含有水蒸汽的氧分壓成比例

：I1=[-4FDSP/(RTL)]Ln(1-Po2/P)I2=[-4FDSP/(RTL)][1+PH2O/(2Po2)]Po2=0.21(P-PH2O)F為法拉第常數(shù)；D為混合氣體分子的擴(kuò)散系數(shù)；S為氣體擴(kuò)散孔的面積；P為混合氣體總壓強(qiáng)；Po2是氧分壓強(qiáng)；PH2O是水蒸汽分壓強(qiáng)；R是氣體常數(shù)；T是絕對(duì)溫度；L是氣體擴(kuò)散孔的長(zhǎng)度；0.21為空氣中氧氣含量。其在陰極與陽極的反應(yīng)：陰極側(cè)：

O2+4e-→2O2-H2O+2e-→H2+O-陽極側(cè)：O2-+2e-→H2+O2-

二、界限電流式濕度傳感器的特性

干燥空氣和含水蒸汽空氣中特性曲線圖：

干燥空氣中IL呈現(xiàn)一定的數(shù)值，而含水蒸汽的空氣中則出現(xiàn)二段臺(tái)階，在區(qū)域A，由于水蒸汽存在，使環(huán)境氣氛中的氧分壓（濃度）減少，輸出下降；在區(qū)域B段，含有水蒸汽的空氣中的IL比在干燥空氣中的IL大?！攮h(huán)境中的水蒸汽在陰極上發(fā)生了前述的電解反應(yīng)，產(chǎn)生了新的氧離子的緣故?！嗤ㄟ^測(cè)量二段IL的差值ΔI，可檢測(cè)出相應(yīng)的濕度值。

優(yōu)點(diǎn)：在室溫至100℃以上的溫、濕度環(huán)境下工作，最高工作溫度為400℃，具有優(yōu)良的選擇性和較長(zhǎng)的使用壽命。

左圖在環(huán)境溫度為80℃，大氣中的相對(duì)濕度變化時(shí)，傳感器的電流與電壓特性。隨相對(duì)濕度的變化，A、B兩段的臨界電流值變化增大。右圖水蒸汽分壓PH2O與⊿I的關(guān)系，一定范圍幾乎線性關(guān)系，測(cè)量精度可達(dá)滿量程的±1%左右。6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例6.5.1濕度傳感器在電路中的接口

6.5.2濕度/電壓轉(zhuǎn)換電路

6.5.3實(shí)用電路

不同環(huán)境的濕度測(cè)量應(yīng)選用不同的傳感器。如當(dāng)溫度在-40℃～70℃時(shí)可用高分子濕度傳感器和陶瓷濕度傳感器；在70～100℃和超過100℃時(shí)用陶瓷濕度傳感器。為使傳感器準(zhǔn)確穩(wěn)定地工作，需附加自動(dòng)加熱清洗裝置。下面介紹幾種典型的應(yīng)用實(shí)例。一、連接方式

1.對(duì)數(shù)變換電路傳感器RS呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可用二極管的電壓-電流特性進(jìn)行對(duì)數(shù)變換。圖為實(shí)際變換電路。運(yùn)放TLC272的輸出端接1kΩ的電阻用于防振。

適用于幅度變化范圍較大的傳感器，例如高分子濕度傳感器，二極管的溫度特性與濕度傳感器的濕度特性相互補(bǔ)償情況。2.電阻非線性校正方式對(duì)電阻變化幅度較小的傳感器，可將傳感器與電阻串聯(lián)連接（常用熱敏電阻兼作溫度補(bǔ)償）來進(jìn)行非線性校正，如圖。濕度傳感器電阻Rs輸出電壓Vout變化可用電阻RA、RB和RC使其線性化。用電阻來改善線性3.其它方式用相位檢波方式減少噪聲，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)工作范圍，把濕度電阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓。另外，將濕度傳感器作為振蕩電路中的一個(gè)組件，根據(jù)有無振蕩與頻率變化可求得相應(yīng)的濕度。二、信號(hào)源與信號(hào)處理

1.信號(hào)源圖為雙T型振蕩電路，改變電路中R2或C1與C2，就可改變振蕩頻率，R3用于改變振幅。2.交直流變換電路采用交直流變換電路可把濕度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓變化，適用于中等濕度范圍。在較低濕度時(shí)其變化率較小，在高濕度時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和狀態(tài)，顯然不是直線關(guān)系。3.折線近似電路要采取放大倍數(shù)隨輸入值變化的放大電路，使其輸出與輸入關(guān)系為線性關(guān)系,如圖。A1、A2、A3、A4都是LM324。1、簡(jiǎn)單的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電路。濕度/電壓轉(zhuǎn)換原理電路圖為一反相器，電阻R1、R2、R3用開關(guān)電容替代，等效電阻與時(shí)鐘頻率f和C乘積的倒數(shù)成比例，即為1/fC。如果f1=f2=f3=f，C1=C3，則輸出電壓U0為：若用濕敏電容替代C2檢測(cè)濕度，則U0為C2的單值增加函數(shù)。適當(dāng)設(shè)定U1值，當(dāng)濕度為0%RH時(shí)可使U0=0。6.5.2濕度/電壓轉(zhuǎn)換電路

2、濕度/電壓轉(zhuǎn)換實(shí)用電路輸出端可獲得與相對(duì)濕度一對(duì)應(yīng)的直流電壓。調(diào)整如下：反復(fù)調(diào)整RP2使5%RH時(shí)輸出電壓為0.05V，調(diào)整RP1使90%RH時(shí)輸出電壓為0.9V。這樣，對(duì)于濕度為0%～100%RH時(shí)輸出電壓為0～1V。用VD獲得2.5V的基準(zhǔn)電壓，用電阻分壓獲得相當(dāng)于上圖的電壓U1，用A獲得負(fù)電壓-U2。當(dāng)7A與11A，12A與13A腳短接時(shí)C2進(jìn)行充電，而8A與11A，12A與14A腳短接時(shí)C2中充電電荷轉(zhuǎn)移到C3中，可獲得相當(dāng)于-U0的電壓。7B、8B、11B腳與12B、13B、14B腳以及2B、5B、6B腳的各部分相當(dāng)于上圖中的R1～R3。相當(dāng)于上圖中的C1是C5，C3是C7，C2是濕敏電容，f1～f3都為150kHz。C8為隔直電容，R3為放電電阻，C6為積分電容。一、直讀式濕度計(jì)

RH為氯化鋰濕度傳感器，濕度增加阻值減小。由VT1、VT2、T1等組成電橋電源（振蕩頻率為250～1000Hz）。電橋的輸出經(jīng)變壓器T2、C3耦合到VT3，經(jīng)VT3放大后，通過VDl∽VD4橋式整流，給微安表指示出由于相對(duì)濕度的變化引起電流的改變，把濕度刻劃在微安表盤上成為直讀式濕度計(jì)。6.5.3實(shí)用電路

二、濕度檢測(cè)器

圖由555時(shí)基電路、濕度傳感器CH等組成多諧振蕩器，輸出端接有C2將輸出的方波信號(hào)變?yōu)槿遣ā．?dāng)相對(duì)濕度變化時(shí)CH的電容量改變，輸出的頻率及三角波的幅度都發(fā)生相應(yīng)的變化。輸出的信號(hào)經(jīng)VDl、VD2整流和C4濾波后，可從電壓表上直接讀出相對(duì)濕度相應(yīng)的值。RP電位器用于儀器的調(diào)零。三、高濕度顯示器

在環(huán)境相對(duì)濕度過高時(shí)作出顯示。用MSOI—A型濕敏電阻，在20％～90％RH時(shí)阻值在幾十千到幾百歐內(nèi)改變。變壓器供給9V交流電壓，當(dāng)環(huán)境濕度增大時(shí)RH減小，R1電壓會(huì)升高，電壓經(jīng)D1整流后加到由T1、T2施密特電路中使T1導(dǎo)通、T2止，T3通，發(fā)光D4發(fā)光顯示。可應(yīng)用于蔬菜大棚、糧棉