湿度传感器
湿度传感器(综述)
摘要:本文概述了湿度传感器的发展史, 分析了湿敏陶瓷的微观结构和感湿机理,湿敏元件的特性, 以及湿度传感器从材料和原理等方面的分类,重点阐述集成湿度传感器、单片智能化湿度/温度传感器的性能特点及产品分类,最后给出在气象,节水灌溉,新生儿温箱中等的应用。
关键词: 湿敏传感器,湿敏元件,感湿机理,分类,研究进展
1. 湿度传感器的发展史
最早的湿度检测法是达芬奇用羊毛或人头发制成的毛发湿度计。这种机械式湿度检测仪曾在测湿历史上发挥重大作用。但是随着电子技术的发展, 人们开始对电子湿度传感器进行研究。1939年, 顿蒙利用材料的电气特性研制出世界上第一个湿度传感器顿蒙湿度传感器是利用电解质例如制成的。根据电阻值的变化可以检测相对湿度。但是, 这种传感器的检测范围太小, 要想测量较宽的湿度变化必须使用多个特性不同的传感器。同时进入测湿市场的还有利用聚合物薄膜或碳膜吸湿膨胀原理制作的湿度传感器。然而, 这些传感器都不能批量生产, 因为它们的制作过程需要大量的人工技巧后来, 人们又开始研究如何用半导体制造湿度传感器, 于是研制出若干种以陶瓷金属氧化物为主要材料的湿度传感器。测试了用含金属氧化物的厚膜硅或胶体涂印的传感器。此外, 还通过减小胶体电阻的办法提高响应速度。陶瓷湿度传感器会由于吸水、界面捕获现象和环境中, 分子等因素而使性能变坏。为防止这种情况, 又研制出能耐受定时加热清洗的传感器元件。后来, 又由于维护困难, 而引入了非加热型传感器。通过特定的化学处理和老化处理可抑制特性的变化。
2. 湿敏陶瓷的微观结构和感湿机理
湿敏半导体陶瓷元件感湿机理主要是水分子在陶瓷颗粒表面的作用过程,水分子在其表面吸附,使半导体陶瓷介电常数随湿度变化而变化。但在感湿中既有化学吸附,也有物理吸附; 既要考虑电子过程. 也不能忽视离子电导。电子 一 质子 (离子) 导电感湿理论认为. 水分子在湿敏陶瓷表面和晶界处的化学吸附和物理吸附降低了表面和晶界电阻。使陶瓷总电阻随湿度增大而降低。在低湿时,水分子以化学吸附为主. 陶瓷主要靠电子或空穴导电; 高湿时,水分子以物理吸附为主,陶瓷主要靠质子和离子导电; 在中湿时,水分子的化学吸附和物理吸附都具有重要作用,随着湿度增大,水分子的吸附由化学吸附为主转向物理吸附为主,导电则由电子或空穴导电为主转向质子和离子导电为主口电子 一 质子 (离子) 导电感湿理论是目前公认的在解释陶瓷感湿机理方面比较成功的模型,比较符合实际,被人们普遍接受。
3. 湿敏元件的特性
湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
3.1 湿敏电阻
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多,例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高,主要缺点是线性度和产品的互换性差。
3.2 湿敏电容
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化,但其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel 公司、Philips 公司、Siemens 公司等。
以Humirel 公司生产的SH1100 型湿敏电容为例,其测量范围是(1%~99%)RH ,在55%RH 时的电容量为180pF (典型值)。当相对湿度从0 变化到100% 时,电容量的变化范围是163pF ~202pF 。温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为± 1.5%,响应时间为5s 。除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。由于湿敏元件的线性度及抗污染性差,并且在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,所以很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
3.3电阻式湿度传感器的系列化设计
电阻式湿敏元件根据感湿材料不同有许多种, 如陶瓷的、金属氧化物的、电解质和碳膜的等等, 因而导电感湿机理也不同。例如电解质类型的是离子导电, 碳膜涨缩型的是电子导电。在选择研究方向时, 首先着眼于元件的稳定性, 考虑到导电粒子所在介质的均一性直接影响到元件的稳定性, 决定研究电解质材料离子导电的电阻式湿敏元件(ZSM系列) 。
ZSM 系列湿敏元件的结构是在10 mm ×5 mm ×0. 6 mm 大的陶瓷基片上, 先烧制一对金电极, 然后焊上两条叉状引线。经清洗烘干后浸涂配好的湿敏材料印浆, 经化学处理后, 通过老化、测试选择待用。其工艺流程见图1。
图1
这个制作过程与大多数电解质湿敏元件的作大体上一样, 但是性能上有很大差别。例如:LiCl2PVA 湿敏元件, 其优点是涂膜容易, 一致性好, 精度高; 缺点是每一片量程太窄, 仅20 %RH ,怕结露。一旦结露, 片子性能变坏, 不能恢复。又如:离子交换树脂湿敏元件, 优点是量程宽(10 %~95 %RH) 、耐污染; 缺点是加工麻烦, 批量生产一致性不好控制, 容易出现非线性, 给线路工作带来困难。所以技术关键在于湿敏材料的选择、元件结构和因材料不同而加工处理各异的条件的控制。研究重点是①选择主链具有环形结构的高分子材料做电解质材料的载体。要求材料对频率和温度的变化都不是很敏感, 而且易溶于有机溶剂, 成膜保持一定的强度, 与基片粘附牢固, 从而提高了产品的一致性和稳定性, 降低了元件成本。
②改性加工和配伍材料。通过控制载体高分子侧基的大小、数量及分子间的结构, 使单片元件的量程范围Δφ在30 %~60 %RH 范围随意调节, 并具有较好的线性。
③研究影响元件敏感区的因素和调节方法。通过改变电解质的含量, 可随意改变元件的敏感区, 而其他特性不变, 从而形成系列传感器:传感器型号 量 程 应 用
ZSM27 30 %~90 %RH 控制器, 测控仪表
ZSM28 30 %~90 %RH 民用加湿器
ZSM29 10 %~95 %RH 测控仪表
④对元件结构和结构材料进行研究。在基片与敏感膜之间增加了衬底层, 封闭了基片陶瓷微孔, 除去基片吸放湿给元件带来的影响, 明显提高了元件的响应特性。
⑤研究了影响元件可靠性、稳定性的原因, 采用保护膜结构, 使元件耐磨损, 抗结露, 防污染, 使用寿命长, 其结构见图2。图中, a 为陶瓷基本; b 为引线; c为衬底层; d 为感温膜; e 为保
护膜。
⑥研究元件的电极结构, 用敷铜板、碳电极代替陶瓷基片、金电极, 降低成本形成ZSM28 型元件, 其基本特性不变。ZSM 系列湿敏元件的电阻测量是通过测量传感器的分压比, 计算求得。见图2。V 是交流电压表, 为交流信号源, Rh 为湿敏元件电阻值, Rt 为固定取样电阻。K 在1 位置时测出VI , K在2 位置时测出V o , 则 Vo = ViRt , 按上式计算出Rh
Rh Rt
。
图2
元件电阻与空气相对湿度、温度的关系可用经验公式来表示: R = Kexp(- αφ- βt) 。K
为电阻常数; α为湿度系数; β为温度系数; φ为相对湿度; t 为环境温度。
图3
4. 湿度传感器从材料和原理等方面的分类
目前,湿度传感器品种繁多,但就其所使用的感湿材料而言,主要有电解质和高分子化合物感湿材料、半导体陶瓷材料以及元素半导体和多孔金属氧化物半导体材料等。电解质湿度传感器具有测量范围窄、可重复性差、使用寿命短等缺点;高分子化合物湿度传感器具有感湿性能好、灵敏度高等优点,但在高温和高湿条件下性能变差、稳定差、抗腐蚀和抗沾污能力差;半导体陶瓷材料湿度传感器具有感湿性能较好、生产简单、成本低、响应时间短、可加
热清洗等优点,但准确度较低、高温下性能差、难以集成化;多孔氧化物湿度传感器具有响应速度快、化学稳定性较好、承受高温和低温能力强,以及可集成化等优点。
5. 集成湿度传感器的性能特点及产品分类
目前,国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell 公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型)、Humirel 公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223 型)、Sensiron 公司(SHT11、SHT15型)等。这些产品可分成以下三种类型:
5.1 线性电压输出式集成湿度传感器
典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电,内置放大电路能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,响应速度快,重复性好,抗污染能力强。
5.2 线性频率输出集成湿度传感器
典型产品为HF3223 型。它采用模块式结构,属于频率输出式集成湿度传感器,在55%RH 时的输出频率为8750Hz (型值),当相对湿度从10% 变化到95% 时,输出频率就从9560Hz 减小到8030Hz 。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配合数字电路或单片机、价格低等优点。
5.3 频率/ 温度输出式集成湿度传感器
典型产品为HTF3223 型。它除具有HF3223 的功能以外,还增加了温度信号输出端,利用负温度系数(NTC )热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时,其电阻值也相应改变并且从NTC 端引出,配上二次仪表即可测量出温度值。
6. 单片智能化温度/温度传感器
2002 年Sensiron 公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15 型智能化温度/ 温度传感器,其外形尺寸仅为7.6(mm )× 5(mm)× 2.5(mm ),体积与火柴头相近。出厂前,每只传感器都在温度室中做过精密标准,标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度,还能测量温度和露点。测量相对湿度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为± 2%RH。测量温度的范围是-40℃~+123.8℃,分辨力为0.01℃。测量露点的精度
芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14 位A/D 转换器、校准存储器(E2PROM )、易失存储器(R A M )、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC )寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其测量原理是首先利用两只传 感器分别产生相对湿度、温度的信号,然后经过放大,分别送至A/D 转换器进行模/ 数转换、校准和纠错,最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μ C 。鉴于SHT11/15 输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系,为获得相对湿度的准确数据,必须利用μ C 对读数值进行非线性补偿。此外当环境温度TA ≠ +25℃时,还需要对相对湿度传感器进行温度补偿。
芯片内部有一个加热器。将状态寄存器的第2 位置“1”时该加热器接通电源,可使传感器的温度大约升高5℃,电源电流亦增加8mA(采用+5V 电源) 。使用加热器可实现以下三种功能:①通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值,可确定传感器是否正常工作;②在潮湿环境下使用加热器,可避免传感器凝露;③测量露点时也需要使用加热器。
露点也是湿度测量中的一个重要参数,它表示在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。为了
计算露点,Sensirion 公司还向用户提供一个测量露点的程序“SHT xdp.bsx”。利用该程序可以控制内部加热器的通、断,再根据所测得的温度值及相对湿度值计算出露点。在命令响应界面上运行此程序时,计算机屏幕上就显示提示符“> ”。用户首先从键盘上输入字母“S ”,然后输入相应的数字,即可获得下述结果:
输入数字“1”时,测量并显示出摄氏温度
dgC=xx.x;
输入数字“2”时,测量并显示出相对湿度
%RH=xx.x;
输入数字“3”时,打开加热器,使传感器温度
升高5℃;
输入数字“4”时,关闭加热器,使传感器降温;
输入数字“5”时,显示露点温度dpC=xx.x。
7. 集成湿度传感器典型产品的技术指标
8. 在气象,节水灌溉,新生儿温箱中等的应用。
8.1自动气象站湿度传感器工作原理及维护
HMP45A/D温湿度传感器的结构示意图
HMP45A/ D 传感器采用湿敏电容测量湿度。湿敏电容具有感湿特性的电介质, 其介电常数随相对湿度的变化而变化, 通常有高分子薄膜和氧化铝两种类型。高分子薄膜型湿敏电容最早
由Vaisala 公司开发。这里只介绍Humicap 系列的高分子薄膜型湿敏电容。Humicap 传感器是用有机聚合物电介质材料制成的小型电容器, 其结构如图4 。传感器由玻璃衬板(a) 、基片金膜电极(b) 、感湿膜(c)、表面金电极(d) 和引线(e) 组成。感湿膜常用醋酸纤维素, 厚度极薄, 约为0. 5~1μm 。厚度太薄会使表面与底部的电极短路, 太厚会影响测湿的响应特性。表面金电极用真空蒸镀法制成, 厚度要求为0. 02μm ,能良好地渗透水分子。基片金膜电极用腐蚀法制成, 电极材料是贵金属和碳。
图4
在外界相对湿度发生变化时, 作为感湿膜的高分子聚合物能对水汽分子吸附和释放, 其介电常数ε随之变化, 促使湿敏电容量发生变化。为避免在极薄的表面电极上焊接引线, 两根引线均从基片电极引出, 元件等效为两个电容的串联, 其电容量ζr 是薄膜吸附水分子时的电容率,A1 为表面金电极的面积,A2 为基片金膜电极的面积,d 为薄膜的厚度。因此, 利用已知的C =f (RH) 关系, 将其接在探测器的电子线路中, 即可用来测量空气的相对湿度。HMP45A/ D 传感器已将电容变化量转化为电压的变化量, 输出电压范围为0~1V 。由于电压对导线的阻值不敏感, 所以电缆的电阻对测量数值的影响可忽略不计。电压的测量同样采用A/ D 转换器。
8.2节水灌溉中土壤湿度传感器的应用
目前市场上主要测量土壤湿度方法有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法。
8.2.1 中子衰减法测量土壤含水量
高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失, 变成慢中子, 形成衰减, 由于被测物中含水量不同产生的衰减亦不同, 主要原因是水中含有氢原子, 而中子对氢原子作用的损失远大于对其他原子作用的损失, 这样可以通过测定慢中子来测定土壤含水量, 也就是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少, 中子土壤水分测试仪就是根据这一原理设计而成。这个方法的优点在于快速准确, 但重要的是这种方法如果屏蔽不好, 易造成射线泄漏, 以致污染环境, 危害人体健康, 特别难以测量浅层土壤含水量, 而浅层土壤含水量与作物生长关系密切, 明显随灌溉、降雨、蒸发等的变化而变化, 是土壤水分中最为活跃的部分, 需要实时监测, 这就极大地限制了中子法的进一步推广应用, 这种方法在发达国家已被禁止使用。
8.2.2 张力计式土壤水分传感器
张力计式土壤水分传感器是一种广泛成功地用于某些土壤水分测量的传感器。这种仪表有个多孔瓷头, 它通过充水的管子与真空表连接, 该装置插入土壤的钻孔中, 多孔瓷头与土壤紧密帖合, 真空表设在地面之上。
8.2.3 介电法速测土壤含水量
8.3湿度传感器在新生儿温箱中的应用
传统温箱是用干湿球湿度计来观察湿度, 其结果有很大的误差, 且对温箱的湿度不能作出控制。湿度一般在50%~60%比较适宜。过高会造成细菌大量滋生, 后果是不难想象。新型控
湿系统一般由以下模块组成湿度传感器、微处理器、加湿器、比较器、变速排气风扇、操作面板等。微处理器采用89C51单片机。湿度传感器采用SHT11, 这是一个超小型、高精度、自校准、多功能式智能传感器, 可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。控湿原理:通过加热器对容器中的水进行加热达到增湿功能;通过对空气加温, 可达到适度的降低湿度的效果, 亦可通过增加空气干燥系统来大幅降低空气湿度。
最后给出湿度传感器的几组照片
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