湿敏传感器

背景

　　湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用湿度、相对湿度、露点等表示。所谓湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha=mV / V ，式中，mV 为待测空气中水蒸气质量，V 为待测空气的总体积。单位为g / m3 。相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw ）和同温度下饱和水蒸气的分压（PN ）的百分比，即HT=（Pw / PN ) Tx 100 % RH。通常，用RH ％表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。温度高的气体，含水蒸气越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100 % ，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。

　　湿度的测量方式有以下几种，即采用伸缩式湿度计、干湿球湿度计、露点计和阻抗式湿度计等。伸缩式湿度计是利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质，以前多用于自动记录仪、空调的自动控制等，目前用于家庭设备的是把纤维素与约50 pm 的金属箔粘合在一起，卷成螺旋状的传感器。不需要进行温度补偿，但不能转换为电信号。

　　阻抗式湿度计是根据湿敏传感器的阻抗值变化而求得湿度的一种湿度计，由于能简单地转变为电信号，它是广泛采用的一种方法。

常见的介绍

　　一、氯化锂湿敏电阻

　　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。该元件的结构如图9 - 3所示, 由引线、 基片、 感湿层与电极组成。

　　氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体, 在氯化锂（LiCl）溶液中, Li和Cl均以正负离子的形式存在, 而Li+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。 反之, 环境相对湿度变低时, 则溶液浓度升高, 其电阻率下降, 从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的湿度——电阻特性曲线如图9 - 4所示。

　　由图可知, 在50%~80%相对湿度范围内, 电阻与湿度的变化呈线性关系。 为了扩大湿度测量的线性范围, 可以将多个氯化锂含量不同的器件组合使用, 如将测量范围分别为(10%~20%)RH, (20%~40%)RH, (40%~70%)RH, (70%~90%)RH和(80%~99%)RH五种元件配合使用, 就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。

　　氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, 不受测试环境风速影响, 检测精度高达±５%, 但其耐热性差, 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。

　　二、半导体陶瓷湿敏电阻

　　半导体陶瓷湿敏电阻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。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等, 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降, 故称为负特性湿敏半导体陶瓷，一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷)。

应用要求

　　通常，理想的湿敏传感器的特性要求是，适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线形好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温特性等。