传感器原理及应用-第9章PPT.ppt

9.2 湿敏传感器 一、湿度及其表示 湿度是指大气中所含的水蒸汽量。 （1）绝对湿度 单位体积空间内所含有水蒸汽的质量(密度)。 （2）相对湿度 被测空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水蒸汽分压的百分比。 （3）露点温度 空气压力不变，为使其所含水蒸气达到饱和状态，必须冷却到的温度称为露点温度。 气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和。 二、湿敏传感器 利用湿敏元件的电气特性（如电阻值）随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。 湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的元器件。 1、氯化锂湿敏传感器 利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的H+离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变化的传感器。 结构： 在条状绝缘基片（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀法或化学沉积法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂－聚乙烯醇混合溶液，经老化处理而制成。 工作原理： 在氯化锂溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+离子对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 当溶液置于一定温湿场中, 若环境相对湿度高, 溶液将吸收水分，使浓度降低, 因此, 其溶液电阻率增高，阻值升高。 反之, 环境相对湿度变低时, 则溶液浓度升高, 其电阻率下降, 阻值下降。 玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的电阻-相对湿度特性 : 由图可看出，在50％～80％相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。 可将氯化锂含量不同的多个器件组合使用，扩大湿度测量的线性范围。如浸渍1％～1.5%浓度的器件可检测(20％～50％)RH范围内的湿度, 而浸渍0.5%浓度的器件可检测(40％～80％)RH范围内的湿度, 两者配合使用可检测(20％～80％)RH范围内的湿度。 氯化锂湿敏元件的优缺点： 优点：滞后小, 不受测试环境风速影响, 检测精度高达±５%, 缺点：耐热性差, 不能用于露点以下测量, 器件性能的重复性不理想, 使用寿命短。 2、半导体陶瓷湿敏电阻 结构：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。 分类： (1)、按照电阻率与湿度的关系 负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而下降，如ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系等。 正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增大而增大，如Fe3O4等。 (2) 根据水分子在半导瓷表面的作用 分为离子型和电子型 离子型：由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水在微孔中的物理吸附作用，在潮湿气氛中出现H+离子，使元件的电导率变化。目前已有两种处于实用阶段，一种是以α-Fe2O3及K2CO3为主要成分,另一种以ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。 以α-Fe2O3及K2CO3为主要成分的陶瓷湿敏传感器的电阻与湿度的关系 ： 电子型：利用水分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率变化。元件的电导率是增加还是减小，决定于氧化物半导体是N型或P型。 如氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器是最近研制出来的一种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器,它是一种多孔质N型半导体材料。 氧化锆-氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构： 湿敏元件的四周装有电热元件,能将陶瓷加热到300～700 ℃的工作温度,使传感器在高温下检测水蒸气,并且能烧掉粘附在元件表面上的污物。 该类传感器已应用于食品加工、空气调节器和干燥器等设备中。 负特性湿敏半导瓷的导电机理： 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场, 当水在半导瓷表面吸附时, 就有可能从半导瓷表面俘获电子, 使半导瓷表面带负电。 如果该半导瓷是Ｐ型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降； 若该半导瓷为Ｎ型, 则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多, 不仅使表面层的电子耗尽, 同时吸引更多的空穴达到表面层, 有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度, 出现所谓表面反型层, 这些空穴称为反型载流子，它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使表面电阻下降。 由此可见, 不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷, 其电阻率都随湿度的增加而下降。 1：ZnO－LiO2－V2O5系 2：Si－Na2O－V2O5系 3：TiO2－MgO－Cr2O3系 MgCr2O4-TiO2湿敏元件 负特性半导瓷； MgCr2O4为P型半导体；电阻率低，电阻－温度特性好； 陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起； 陶瓷片外设置加热线圈，对器件