濕敏傳感器綜述

1、濕敏傳感器特點及應用作者 704 班級 電科1401 學號 c7在國家經濟發(fā)展越來越快速的時代中，人們生活質量明顯提高，對環(huán)境的溫度與濕度標準越來越關注與重視。隨之，我國相關部門針對溫度測量以及濕度測量更進一步研究，并結合多次試驗研發(fā)出新型的濕度傳感器，并已經被廣泛應用于各領域中。由于環(huán)境濕度參數(shù)測量難度較高，要想達到一定的精標準要求，必須要做到合理濕度控制。本文對濕度表示方法進行了一定的概括和總結，指出不同濕度測量方式各自的優(yōu)缺點。并對電阻式濕敏傳感器，陶瓷濕敏傳感器，電容式濕敏傳感器進行了論述，以說明其各自的特性，讓使用者可以更加準確的使用濕敏傳感器。2016年3月，根據(jù)Narimani和

2、Nayeri在關于傳感器和執(zhí)行機構的文獻中描述，基于氧化鋅納米材料的電容式濕度傳感器在高溫高濕條件下取得較為穩(wěn)定和快速的濕度檢測效果1。2016年6月，根據(jù)Guo在關于傳感器和材料科學的文獻中描述，以石墨烯氧化物為原材料的電容式濕度傳感器在恒溫密閉倉儲環(huán)境中取得較為穩(wěn)定和靈敏的濕度檢測效果2。本文在上述研究的基礎上，針對人體所處的普通室內環(huán)境，利用直流電源、可變電阻、濕敏電容和時基電路等器件設計通用小型高精度濕度傳感器系統(tǒng)，并在通風環(huán)境下（T=25），對室內濕度變化進行快速和高精度的檢測，從而達到有效調節(jié)室內溫濕度的控制目的。章丹等人32017年提出了一種新型柔性電容式濕度傳感器。該柔性電容式

3、濕度傳感器采用液晶高分子聚合物(LCP)作為襯底,金屬銅(Cu)作為叉指電極,聚酰亞胺(PI)作為濕度傳感器的濕敏介質。LCP襯底的應用使得該傳感器具有良好的柔性和可彎曲性。該柔性濕度傳感器與傳統(tǒng)硅基濕度傳感器相比較具有成本低廉、結構簡單、制作方便等優(yōu)點。最后說明HS1101濕度傳感器4在實際生活中的使用方法，并分析它的工作原理，最終繪出工作電路。1 濕度及其表示濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對濕度、相對濕度、露點等表示。1. 絕對濕度所謂絕對濕度就是單位體積空氣內所含水蒸氣的質量，也就是指空氣中水蒸氣的密度。一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示，即為 (1)式中，mV為待測

4、空氣中水蒸氣質量，V為待測空氣的總體積。單位為g/m3。2. 相對濕度相對濕度是表示空氣中實際所含水蒸氣的分壓（Pw）和同溫度下飽和水蒸氣的分壓（PN）的百分比，即 (2)通常，用RH表示相對濕度。當溫度和壓力變化時，因飽和水蒸氣變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對濕度也發(fā)生變化。日常生活中所說的空氣濕度，實際上就是指相對濕度而言。目前應用最多的是相對濕度。3. 露點溫度溫度高的氣體，含水蒸氣越多。若將其氣體冷卻，即使其中所含水蒸氣量不變，相對濕度將逐漸增加，增到某一個溫度時，相對濕度達100% ，呈飽和狀態(tài)，再冷卻時，蒸氣的一部分凝聚生成露，把這個溫度稱為露點溫度。即空氣在氣壓不變下為

5、了使其所含水蒸氣達飽和狀態(tài)時所必須冷卻到的溫度稱為露點溫度。氣溫和露點的差越小，表示空氣越接近飽和。2 濕敏傳感器的種類2.1 電阻式濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器是利用濕敏元件的電氣特性隨溫度的變化而變化的原理進行濕度測量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣基底上浸漬吸濕性物質，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝在表面上制備一層濕敏物質而制成的。在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子的傳導狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元件的電阻值隨濕度而變化。常用的電阻式濕敏傳感器為在玻璃帶上浸有氯化鋰溶液的濕敏元件。它的基片材料為無堿玻璃帶。元件的電阻值隨濕氣的吸附與脫附過程而變化。這種通過測定電阻，便可知道相對濕度。由于電

6、阻與濕度的變化只在一定的濕度范圍內成線性關系。為了擴大濕度測量范圍，可以將幾支浸漬不同濃度氯化鋰的濕敏元件組合起來使用。氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長多項重要的優(yōu)點，氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產和研究的歷史，有著多種多樣的產品型式和制作方法，都應用了氯化鋰感濕液具備的各種優(yōu)點尤其是穩(wěn)定性最強。2.2 陶瓷濕敏傳感器陶瓷濕敏傳感器是一種新型傳感器。金屬氧化物陶瓷構成的濕敏傳感器有離子型和電子型兩類。在離子型濕敏元件中，由絕緣材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用而呈現(xiàn)出H+，是元件的電導率增加。這類傳感器組要有兩種：一種以Fe2O3及K2CO3為主要成分

7、，另一種以ZnO、V2O5、Li2O為主要成分。電子型濕敏元件是利用分子在氧化物表面上的化學吸附導致元件電導率改變的原理制成。元件的電導率增加還是減少，取決于氧化物半導體是N型還是P型。陶瓷濕敏傳感器的優(yōu)點有：耐高溫，濕度滯后小，響應速度快，體積小，便于批量生產，但由于多孔型材質，對塵埃影響很大，日常維護頻繁，時常需要電加熱加以清洗易影響產品質量，易受濕度影響，在低濕高溫環(huán)境下線性度差，特別是使用壽命短，長期可靠性差。2.3 電容式濕敏傳感器電容式濕敏傳感器是利用濕敏元件的電容值隨濕度變化的原理進行濕度測量的傳感器。這類濕敏元件實際上是一種吸濕性電介質材料的介電常數(shù)隨濕度變化而變化的薄片狀電容

8、器。由吸濕性電介質材料構成的薄片狀電容式濕敏傳感器具有線性較好、溫度系數(shù)小、響應時間快;與傳統(tǒng)IC、半導體以及硅工藝相兼容等特點,從而受到生產者與使用者的青睞。電容式濕度傳感器結構,即電容平行板上下電極中間加一層感濕薄膜,其電極材料可為鋁、金、鉻等金屬、感濕膜可為半導體氧化物或者高分子材料等制作而成,電極形狀與感濕膜形狀的不同選擇使得此類電容式濕度傳感器性能各異。由于高分子聚合物具有較小的介電常數(shù)，如聚酰亞胺在低濕時介電常數(shù)為3.0一3.8。而水分子介電常數(shù)是高分子的幾十倍。因此高分子介質在吸濕后，由于水分子偶極距的存在，大大提高了吸水異質層的介電常數(shù)，這是多相介質的復合介電常數(shù)具有加和性決定

9、的。由于的變化，使?jié)衩綦娙菰碾娙萘緾與相對濕度成正比，但在設計和制作工藝中很難做到感濕特性全濕程線性。電容式濕度傳感器還與環(huán)境溫度有關，它的溫度特性受多種因素支配，在不同的濕度范圍溫漂不同；在不同的溫區(qū)呈不同的溫度系數(shù)；不同的感濕材料溫度特性不同?？傊?，高分子濕度傳感器的溫度系數(shù)并非常數(shù)，而是個變量。因此要精確的測量濕度還要考慮溫度對傳感器的影響，必要時需要對傳感器進行溫度補償。電容式濕度傳感器的優(yōu)缺點：它的測濕性能還算可以但其耐溫性、耐腐蝕性都不太理想，在工業(yè)領域使用，壽命、耐溫性和穩(wěn)定性、抗腐蝕能力都有待于進一步提高。除電阻式、陶瓷型、電容式濕敏元件之外，還有電解質離子型濕敏元件、重量

10、型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。3 一種濕度傳感器的應用HS1101是一款電容式相對濕度傳感器。該傳感器可廣泛應用于辦公室、家庭、汽車駕駛室、和工業(yè)過程控制系統(tǒng)等，對空氣濕度進行檢測。與其他產品相比，有著顯著的優(yōu)點:(1) 無需校準的完全互換性；(2) 長期飽和狀態(tài)，瞬間脫濕；(3) 適應自動裝配過程，包括波峰焊接、回流焊接等；(4) 具有高可靠性和長期穩(wěn)定性：(5) 特有的固態(tài)聚合物結構；(6) 適用于線性電壓輸出和線性頻率輸出兩種電路；3.1 濕敏電容HS1101的輸入輸出特性分析如圖2所示，經試驗測定，當環(huán)境濕度RH（t）0%,99%

11、時，濕敏電容HS1101的電容值CRH（t）163pF,199pF，顯然CRH（t）與RH（t）成正比。濕敏電容HS1101作為濕度傳感器RHS01的核心器件，其具有濕度測量范圍較寬、溫漂效應較小、平均靈敏度較高和反應快速等優(yōu)點5。（1）HS1101具有較寬的測濕范圍，即：測濕范圍WRH0%,99%；（2）當環(huán)境溫度T-10,60時，HS1101能正常工作，且其溫漂效應Tcc0.02pF/,0.06pF/，即：當環(huán)境溫度T上升或下降1時，HS1101的電容值平均飄移0.04pF；（3）當環(huán)境溫度T-10,60，且濕度RH（t）30%,80%時，HS1101的平均靈敏度C/%RH0.28pF/%

12、RH,0.44pF/%RH，即：當環(huán)境濕度RH（t）上升或下降1%時，HS1101電容值平均變化0.36pF，實際上當環(huán)境相對濕度RH（t）高于80%時，HS1101的靈敏度會有所下降。以上試驗測定的參數(shù)說明傳感部件HS1101具有較高的靈敏度和較快的反應速度，適合用作溫濕度控制系統(tǒng)的傳感器使用。圖1：HS1101濕度與電容曲線圖圖2：HS1101濕度傳感器電路圖3.2 測量原理與方法HS1101濕度傳感器是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在自動測試系統(tǒng)中電容值隨著空氣濕度的變化而變化，因此將電容值的變化轉換成電壓或頻率的變化，才能進行有效地數(shù)據(jù)采集。用555集

13、成電路組成振蕩電路，HS1101濕度傳感器充當振蕩電容，從而完成濕度到頻率的轉換。HS1101濕敏傳感器是采用側面開放式封裝，只有兩個引腳有線性電壓輸出和線性頻率輸出兩種電路。在使用時，將2腳接地，這里選用頻率輸出電路。該傳感器采用電容構成材料，不允許直流方式供電所以我們使用555定時器電路組成單穩(wěn)態(tài)電路。具體電路結構如圖。測濕電路利用一片CMOS定時器TLC555，配上HS1101和電阻R2、R4構成單穩(wěn)態(tài)電路將相對濕度值變化轉換成頻率信號輸出。輸出頻率范圍是73516033Hz，所對應的相對濕度為0100。當RH=55時，f=6660Hz。輸出的頻率信號可送至數(shù)字頻率計或控制系統(tǒng)，經處理后

14、送顯示。通電后電流沿著UccR4R2C對HS1101充電經過t1時間后濕敏電容的電壓Uc就被充電到TLC555的高觸發(fā)電平，使內部比較器翻轉。OUT端的輸出變成低電平。然后C開始放電，放電回路為CR2D內部放電管地。經過t2時間后，Uc降到低觸發(fā)電平(U1=O.33Ucc)，內部比較器再次翻轉，使OUT端的輸出變成高電平。這樣周而復始的進行充、放電，形成了振蕩。充電、放電時間計算公式分別為： (3) (4)輸出波形的頻率(f)和占空比(D)的計算公式如下： (5) (6)濕度傳感器只是保證傳感探頭的精度，在實際使用中，綜合精度除了與濕度傳感器本身元件有關，還與外圍電路的器件選擇相關。為了與HS

15、1101溫度系數(shù)相匹配，R1數(shù)值應取為1精度，且最大溫漂不超過100ppm(ppm：百萬分之一，表示當溫度變化1所對應的電阻相對變化量)。3.2 RHS01的信號檢測與變換過程濕度傳感器RHS01的信號檢測與變換過程如圖3所示，RHS01的輸入信號為環(huán)境相對濕度RH（t）0%,99%。由于濕敏電容HS1101的電容值CRH（t）與相對濕度RH（t）成正比，因此將CRH（t）視為濕度傳感器RHS01電路的中間變量。RHS01的輸出信號為U0（t）的頻率F（t）7365Hz,6033Hz，并且F（t）與電容值CRH（t）成反比6。圖3 濕度傳感器RHS01的信號檢測與變換過程3.3 軟件設計功能軟

16、件設計主要完成對HS1101在單位時間內的頻率測量。軟件設計采用端口掃描方式，間隔8S開始測量測量時間為1S。統(tǒng)計單位時間內脈沖的個數(shù)，與濕度表對照，確定濕度值的范圍，并將濕度值通過LCD顯示。為了保證測量精度，可以取3次以上測量數(shù)據(jù)，求平均值后，作為最終送顯示數(shù)據(jù)。由于HS1101采用獨特的電容式單元設計，具有響應速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)定等優(yōu)點，我們將HS1101用在智能家居控制系統(tǒng)中，完成對空氣濕度的測量，經長期應用，性能達到了穩(wěn)定可靠，同時也實現(xiàn)了對低成本的要求。4 總結近年來，國內外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能產品化、多參數(shù)檢測

17、的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。但是目前濕度傳感器在長期穩(wěn)定性方面還存在一些問題7，為此人們?yōu)榱搜兄瞥鲇虚L期可靠性的傳感器，而寧可在測量精度、濕度和溫度特性、響應時間、形狀和尺寸等方面作出一些犧牲?？傊?，隨著科學技術的發(fā)展，要求濕度傳感器向微型化和集成化方向發(fā)展，同時要求傳感器抗污染、長壽命，對環(huán)境濕度的控制將更加精確。因此，隨著工業(yè)、農業(yè)、國防、科技及整個國民經濟的迅猛發(fā)展，對環(huán)境濕度的控制和檢測越來越受到人們的重視，市場需求也越來越大。參考文獻：1Narimani K, Nayeri F D, et al. Fabrication,

18、modeling and simulation of high sensitivity capacitive humidity sensors based on ZnO nanorodsJ. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 224(3): 338-343.2Guo R, Tang W, et al. High sensitivity and fast response graphene oxide capacitive humidity sensor with computer-aided J. Computational Materials Science, 2016, 111(1): 289- 2933章丹,黃見秋,王立峰.基于LCP襯底的柔性濕度傳感器研究（英文）J.傳感技術學報,2017,30(10):1478-1482.4冷芳,裴洲奇.基于濕敏電容HS1101的環(huán)境濕度傳感器RHS01的設計J.焦作大學學報,2017,31(02):73-75.5A s co