一、濕度傳感器的應(yīng)用

濕度與人類(lèi)的生活密切相關(guān)，任何行業(yè)的都離不開(kāi)空氣，而空氣的濕度又與工作、生活、生產(chǎn)有直接聯(lián)系，使?jié)穸鹊谋O(jiān)測(cè)與控制越來(lái)越顯得重要。應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)濕度傳感器的技術(shù)要求也不同。從制造角度看，同是濕度傳感器，但是原理、材料、結(jié)構(gòu)，工藝各不相同．其性能和技術(shù)指標(biāo)有很大差異，因而價(jià)格也相差甚遠(yuǎn)。濕度傳感器的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

1）氣候監(jiān)測(cè)天氣測(cè)量和預(yù)報(bào)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事及人民生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面都有重要意義，因而濕度傳感器是必不可少的測(cè)濕設(shè)備。

2）溫室養(yǎng)殖現(xiàn)代農(nóng)林畜牧各產(chǎn)業(yè)都有相當(dāng)數(shù)量的溫室，溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要，把濕度控制在農(nóng)作物、樹(shù)木、畜禽等生長(zhǎng)適宜的范圍，是減少病蟲(chóng)害、提高產(chǎn)量的條件之一。

3）工業(yè)生產(chǎn)　在紡織、電子、精密機(jī)器、陶瓷工業(yè)等部門(mén)，空氣濕度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，必須有效地進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)控。

4）物品儲(chǔ)藏　各種物品對(duì)環(huán)境均有一定的適應(yīng)性。濕度過(guò)高過(guò)低均會(huì)使物品喪失原有性能。如在高濕度地區(qū)，電子產(chǎn)品在倉(cāng)庫(kù)的損害嚴(yán)重，非金屬零件會(huì)發(fā)霉變質(zhì)，金屬零件會(huì)腐蝕生銹。

5）精密儀器的使用保護(hù)　許多精密儀器、設(shè)備對(duì)工作環(huán)境要求較高，環(huán)境濕度必須控制在一定范圍內(nèi)，以保證它們的正常工作，提高工作效率及可靠性。如電話(huà)程控交換機(jī)工作濕度在55 %-10 %較好。溫度過(guò)高會(huì)影響絕緣性能，過(guò)低又易產(chǎn)生靜電，影響正常工作。

二、濕度傳感器的原理

濕度包括氣體的濕度和固體的濕度。氣體的濕度是指大氣中水蒸氣的含量，度量方法有絕對(duì)濕度，即每立方米氣體在標(biāo)況下（0℃，1大氣壓）所含有的水蒸氣的重量，即水蒸氣密度；相對(duì)濕度，即一定體積氣體中實(shí)際含有的水蒸氣分壓與相同溫度下該氣體所能包含的最大水蒸氣分壓之比；或含濕量，即每㎏干空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量。其中相對(duì)濕度是最常用的。固體的濕度是物質(zhì)中所含水分的百分?jǐn)?shù)，即物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與其總質(zhì)量之比。

利用水分子有較大的偶極矩，因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的特性制成的澤天濕度傳感器稱(chēng)為水分子親和力型濕度傳感器，其測(cè)量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過(guò)程改變其自身的性能從而構(gòu)成不同類(lèi)型的澤天濕度傳感器；把與水分子親和力無(wú)關(guān)的濕度傳感器稱(chēng)為非水分子親和力型傳感器，其主要的測(cè)量原理有：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導(dǎo)之差來(lái)測(cè)定濕度；利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播，水蒸汽吸收微波使其產(chǎn)生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環(huán)境空氣中的濕度有關(guān)以此來(lái)測(cè)定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)來(lái)測(cè)定空氣中的濕度。

氯化鋰是一種在大氣中不分解、不揮發(fā)，也不變質(zhì)而具有穩(wěn)定的離子型無(wú)機(jī)鹽類(lèi)。其吸濕量與空氣相對(duì)濕度成一定函數(shù)關(guān)系，隨著空氣相對(duì)濕度的增減變化，氯化鋰吸濕量也隨之變化。當(dāng)氯化鋰溶液吸收水汽后，使導(dǎo)電的離子數(shù)增加，因此導(dǎo)致電阻的降低；反之，則使電阻增加。這種將空氣相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換為其電阻值的測(cè)量方法稱(chēng)為吸濕法濕度測(cè)量。氯化鋰電阻濕度計(jì)的傳感器就是根據(jù)這一原理工作的。

三、濕度傳感器的分類(lèi)

濕度傳感器從測(cè)量的濕度范圍可以分為高濕型（大于70%RH）、低濕型（小于40%RH）、全濕型（0～100%RH）；根據(jù)敏感方案是否基于水分子的極性吸附特性，可以把濕度傳感器分為水分子親和力型和非水分子親和力型。根據(jù)濕敏材料的不同可以對(duì)水分子親和力型濕度傳感器進(jìn)一步分類(lèi)；根據(jù)測(cè)量原理的不同可以對(duì)非水分子親和力型濕度傳感器進(jìn)一步分類(lèi)。

1、水分子親和力型濕度傳感器

根據(jù)使用材料的不同，水分子親和力型濕度傳感器分為以下四類(lèi)

1）電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對(duì)電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。

2）陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過(guò)陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。

3）高分子型：在絕緣基板上通過(guò)涂覆或者旋轉(zhuǎn)涂膜儀附上一層有機(jī)高分子感濕膜制備成濕敏元件。其基本特點(diǎn)是材料來(lái)源廣泛、制作工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需加熱清洗、適于批量生產(chǎn)，應(yīng)用范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)。另外，其性能優(yōu)異，可用于較寬濕度范圍的測(cè)量，濕滯回差小、響應(yīng)速度快、溫度系數(shù)小、使用壽命長(zhǎng)。在高分子型濕度傳感器的研究領(lǐng)域，聚合物電解質(zhì)由于其特殊的一些優(yōu)點(diǎn)比如：容易加工、價(jià)格低廉、響應(yīng)快而且靈敏度高而被研究者在過(guò)去的幾年中廣泛關(guān)注。然而其不足之處是由于其在水中的可溶性而使其在應(yīng)用時(shí)在高濕度下會(huì)影響其濕敏性質(zhì)。

4）單晶半導(dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點(diǎn)是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。

2、非水分子親和力型濕度傳感器

利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導(dǎo)之差來(lái)測(cè)定濕度，可以制成熱敏電阻式濕度傳感器；利用微波或超聲波在含水蒸汽的空氣中傳播時(shí)，傳輸損耗的能量與環(huán)境空氣中的濕度的相關(guān)性來(lái)測(cè)定濕度，可以制成微波或超聲波濕度傳感器；利用水蒸汽能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)來(lái)測(cè)定空氣中的濕度，可以制成紅外吸收式濕度傳感器。

從濕度的敏感材料的不同可分為：半導(dǎo)體氧化物、高分子材料、多孔的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料等。濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器，主要有電阻式和電容式兩大類(lèi)：

1）電阻式濕敏傳感器

濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)則是線(xiàn)性度和產(chǎn)品的互換性差。濕敏電阻的種類(lèi)很多，例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。其濕敏材料以多孔陶瓷種類(lèi)最多。

2）電容式濕敏傳感器

濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。

除電阻式、電容式濕敏傳感器之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏傳感器、重量型濕敏傳感器（利用感濕膜重量的變化來(lái)改變振蕩頻率）、石英振子式濕敏傳感器、光強(qiáng)型濕敏傳感器、聲表面波濕敏傳感器等。

無(wú)論哪種形式的濕敏傳感器，其產(chǎn)品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸氣吸附于感濕材料后，引起元件的質(zhì)量、阻抗、介電常數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化，從而制成濕敏元件。因此，傳統(tǒng)的濕敏傳感器還存在著以下一些問(wèn)題：

1）長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2）傳感器的互換性差，對(duì)氣體的選擇性也較差。

3）校準(zhǔn)和標(biāo)定的時(shí)間長(zhǎng)而復(fù)雜。因?yàn)榇祟?lèi)傳感器的輸出信號(hào)通常是非線(xiàn)性的，這使得定標(biāo)有一定困難。

四、濕度傳感器的性能參數(shù)

濕度傳感器的特性參數(shù)主要有：濕度量程、靈敏度、溫度系數(shù)、響應(yīng)時(shí)間、濕滯回差、感濕特征量-相對(duì)濕度特性曲線(xiàn)等。

1）濕度量程：它是指濕度傳感器能夠較精確測(cè)量的環(huán)境濕度的最大范圍。由于各種濕度傳感器所使用的材料及依據(jù)的工作原理不同，其特性并不都能適用于0～100%RH的整個(gè)相對(duì)濕度范圍。

2）感濕特征量-相對(duì)濕度特性曲線(xiàn)：濕度傳感器的輸出變量稱(chēng)為其感濕特征量，如電阻、電容等。濕度傳感器的感濕特征量隨環(huán)境濕度的變化曲線(xiàn)，稱(chēng)為傳感器的感濕特征量-環(huán)境濕度特性曲線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)為感濕特性曲線(xiàn)。性能良好的濕度敏感器件的感濕特性曲線(xiàn)，應(yīng)有寬的線(xiàn)性范圍和適中的靈敏度。

3）靈敏度：濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線(xiàn)的斜率。大多數(shù)濕度敏感器件的感濕特性曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，因此尚無(wú)統(tǒng)一的表示方法。較普遍采用的方法是用器件在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來(lái)表示。

4）濕度溫度系數(shù)：它定義為在器件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環(huán)境相對(duì)濕度隨環(huán)境溫度的變化率因此，環(huán)境溫度將造成測(cè)濕誤差。例如，濕度為0.3％RH/℃時(shí)，環(huán)境的溫度變化20℃，將引起6％RH的測(cè)濕誤差。

5）響應(yīng)時(shí)間：它表示當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，傳感器完成吸濕或脫濕以及動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程所需時(shí)間的特性參數(shù)。響應(yīng)時(shí)間用時(shí)間常數(shù)來(lái)定義，即感濕特征量由起始值變化到終止值的0.632倍所需的時(shí)間。可見(jiàn)，響應(yīng)時(shí)間是與環(huán)境相對(duì)濕度的起止值密切相關(guān)。

6）濕滯回線(xiàn)和濕滯回差：一個(gè)濕度傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線(xiàn)不相重復(fù)，一般可形成為一回線(xiàn)，這種特性稱(chēng)為濕滯特性；其曲線(xiàn)稱(chēng)為濕滯回線(xiàn)。