第五章 電子功能及元器件濕敏器件的基本特性

第五章濕度敏感器件5-1概述第五章濕度敏感器件主要內(nèi)容一、濕度測量的意義二、濕度的表征三、濕度測量的方法一、濕度測量的意義1、人類生活2、植物生長

由于大棚內(nèi)土壤的蒸發(fā)和蔬菜的蒸騰作用，使棚內(nèi)的濕度明顯地高于露地。就蔬菜的生長發(fā)育而言，適宜的相對(duì)空氣濕度白天為35%左右，夜間為83%左右。

冬天溫度為18至25℃，濕度為30%至80%；夏天溫度為23至28℃，濕度為30%至60%。在此范圍內(nèi)感到舒適的人占95%以上。在裝有空調(diào)的室內(nèi)，室溫為19至24℃，濕度為40%至50%時(shí)，人會(huì)感到最舒適。如果考慮到溫、濕度對(duì)人思維活動(dòng)的影響，最適宜的室溫度應(yīng)是工作效率高。18℃，濕度應(yīng)是40%至60%，此時(shí)，人的精神狀態(tài)好，思維最敏捷。一、濕度測量的意義三、物質(zhì)儲(chǔ)存

在常溫下，糧食的水分在13-14％以下時(shí)，糧食和微生物的呼吸作用都很弱，糧食中的水分增加，微生物的呼吸強(qiáng)度也隨之迅速增強(qiáng)，使糧食發(fā)熱升溫。因此，為了保證糧食的質(zhì)量，同時(shí)也為了防止糧食自燃起火，有必要對(duì)糧食內(nèi)部的溫度、濕度實(shí)行分層分點(diǎn)檢測，一旦發(fā)現(xiàn)有升溫、過濕現(xiàn)象，就必須立即采取通風(fēng)散熱或翻堆、翻倉等措施。領(lǐng)域部門溫度(℃)濕度(%RH)領(lǐng)域部門溫度(℃)濕度(%RH)紡織紡紗廠2360計(jì)算機(jī)房20～3040～70織布廠1885通訊電纜充氣-10～300～20醫(yī)藥

制藥廠10～3050～60食品啤酒發(fā)酵4～850～70手術(shù)室23～2650～60農(nóng)業(yè)良種培育15～4040～75輕工印刷廠23～2749～51人工大棚5～4040～100卷煙廠21～2455～65倉儲(chǔ)水果冷凍-3～580～90火柴廠18～2250地下菜窖-3～-170～80電子半導(dǎo)體2230～45文物保管文物保管16～1850～55在不同領(lǐng)域的使用范圍(%RH/℃)一、濕度測量的意義二、濕度的表征空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度、露點(diǎn)（霜點(diǎn)）等表示法。

1、質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為：這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為：m／M×100％v／V×100％二、濕度的表征

2、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為m/v相對(duì)濕度：在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(pv)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對(duì)濕度

RH=p/ps*

100%二、濕度的表征二、濕度的表征

3、露（霜）點(diǎn)水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時(shí)，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對(duì)濕度為100％RH。該溫度，稱為空氣的露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。如果這一溫度低于0℃時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。106105104103102101-20020406080100溫度/℃水飽和蒸汽壓(pa)如果絕對(duì)濕度不變:則溫度增加RH減小

溫度降低RH增加

右圖的例子:30℃,RH=50%到10℃左右結(jié)露,若升高到60℃,RH降到10%三、濕度測量的方法1、毛發(fā)濕度計(jì)

人的頭發(fā)有一種特性，它吸收空氣中水汽的多少是隨相對(duì)濕度的增大而增加的，而毛發(fā)的長短又和它所含有的水分多少有關(guān)。利用這一變化即可制造毛發(fā)濕度計(jì)。用酒精等物將毛發(fā)洗凈除油脂，以毛發(fā)十根為一束裝置在容器中，利用杠桿原理，擴(kuò)大它的伸縮藉指針直接在刻度板上指出濕度。另有一種是將頭發(fā)的一端固定，而另一端掛一小砝碼，為能夠看清楚頭發(fā)長短的變化起見，而將頭發(fā)繞過一個(gè)滑輪，同時(shí)在滑輪上安一長指針。由于砝碼本身的重量作用，而使頭發(fā)緊緊地壓在滑輪上。當(dāng)頭發(fā)伸長時(shí)，滑輪就作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)指針沿弧形向下偏轉(zhuǎn)，而當(dāng)頭發(fā)縮短時(shí)，指針則向上轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)空氣完全干燥時(shí)，指針?biāo)傅奈恢脼??？諝庵兴羝_(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，指針?biāo)傅牡胤剿阕?00，再用干濕球濕度計(jì)和它相核對(duì)，刻出度數(shù)，這樣就可直接測出空氣的相對(duì)濕度了。毛發(fā)濕度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，使用方便，唯一的缺點(diǎn)是不夠準(zhǔn)確。三、濕度測量的方法1、毛發(fā)濕度計(jì)

人的頭發(fā)有一種特性，它吸收空氣中水汽的多少是隨相對(duì)濕度的增大而增加的，而毛發(fā)的長短又和它所含有的水分多少有關(guān)。利用這一變化即可制造毛發(fā)濕度計(jì)。用酒精等物將毛發(fā)洗凈除油脂，以毛發(fā)十根為一束裝置在容器中，利用杠桿原理，擴(kuò)大它的伸縮藉指針直接在刻度板上指出濕度。另有一種是將頭發(fā)的一端固定，而另一端掛一小砝碼，為能夠看清楚頭發(fā)長短的變化起見，而將頭發(fā)繞過一個(gè)滑輪，同時(shí)在滑輪上安一長指針。由于砝碼本身的重量作用，而使頭發(fā)緊緊地壓在滑輪上。當(dāng)頭發(fā)伸長時(shí)，滑輪就作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)指針沿弧形向下偏轉(zhuǎn)，而當(dāng)頭發(fā)縮短時(shí)，指針則向上轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)空氣完全干燥時(shí)，指針?biāo)傅奈恢脼?。空氣中水蒸汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，指針?biāo)傅牡胤剿阕?00，再用干濕球濕度計(jì)和它相核對(duì)，刻出度數(shù)，這樣就可直接測出空氣的相對(duì)濕度了。毛發(fā)濕度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，使用方便，唯一的缺點(diǎn)是不夠準(zhǔn)確。三、濕度測量的方法2、干濕球濕度計(jì)又叫干濕計(jì)。利用水蒸發(fā)要吸熱降溫，而蒸發(fā)的快慢（即降溫的多少）是和當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度有關(guān)這一原理制成的。其構(gòu)造是用兩支溫度計(jì)，其一在球部用白紗布包好，將紗布另一端浸在水槽里，即由毛細(xì)作用使紗布經(jīng)常保持潮濕，此即濕球。另一未用紗布包而露置于空氣中的溫度計(jì)，謂之干球（干球即表示氣溫的溫度）。如果空氣中水蒸汽量沒飽和，濕球的表面便不斷地蒸發(fā)水汽，并吸取汽化熱，因此濕球所表示的溫度都比干球所示要低。空氣越干燥（即濕度越低），蒸發(fā)越快，不斷地吸取汽化熱，使?jié)袂蛩镜臏囟冉档?，而與干球間的差增大。相反，當(dāng)空氣中的水蒸汽量呈飽和狀態(tài)時(shí)，水便不再蒸發(fā)，也不吸取汽化熱，濕球和干球所示的溫度，即會(huì)相等。使用時(shí)，應(yīng)將干濕計(jì)放置距地面1.2～1.5米的高處。讀出干、濕兩球所指示的溫度差，由該濕度計(jì)所附的對(duì)照表就可查出當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度。因?yàn)闈袂蛩啿妓终舭l(fā)的快慢，不僅和當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度有關(guān)，還和空氣的流通速度有關(guān)。所以干濕球溫度計(jì)所附的對(duì)照表只適用于指定的風(fēng)速，不能任意應(yīng)用。三、濕度測量的方法2、干濕球濕度計(jì)又叫干濕計(jì)。利用水蒸發(fā)要吸熱降溫，而蒸發(fā)的快慢（即降溫的多少）是和當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度有關(guān)這一原理制成的。其構(gòu)造是用兩支溫度計(jì)，其一在球部用白紗布包好，將紗布另一端浸在水槽里，即由毛細(xì)作用使紗布經(jīng)常保持潮濕，此即濕球。另一未用紗布包而露置于空氣中的溫度計(jì)，謂之干球（干球即表示氣溫的溫度）。如果空氣中水蒸汽量沒飽和，濕球的表面便不斷地蒸發(fā)水汽，并吸取汽化熱，因此濕球所表示的溫度都比干球所示要低。空氣越干燥（即濕度越低），蒸發(fā)越快，不斷地吸取汽化熱，使?jié)袂蛩镜臏囟冉档?，而與干球間的差增大。相反，當(dāng)空氣中的水蒸汽量呈飽和狀態(tài)時(shí)，水便不再蒸發(fā)，也不吸取汽化熱，濕球和干球所示的溫度，即會(huì)相等。使用時(shí)，應(yīng)將干濕計(jì)放置距地面1.2～1.5米的高處。讀出干、濕兩球所指示的溫度差，由該濕度計(jì)所附的對(duì)照表就可查出當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度。因?yàn)闈袂蛩啿妓终舭l(fā)的快慢，不僅和當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度有關(guān)，還和空氣的流通速度有關(guān)。所以干濕球溫度計(jì)所附的對(duì)照表只適用于指定的風(fēng)速，不能任意應(yīng)用?！纠纾骸?/p>

設(shè)干泡溫度是22℃，濕泡溫度是16℃

——可先在表中所示干球溫度一列找到22℃；

——再在該行的濕度溫度表中找到16的近似值；

——該近似值豎列對(duì)應(yīng)的表頭數(shù)值54，就是相對(duì)濕度是：54%。露點(diǎn)濕度計(jì)半導(dǎo)體制冷溫度測量鏡面觀測讀數(shù)顯示美國EdgeTech公司1500型三、濕度測量的方法3、濕度敏感元件：

濕度傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成。它是把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。

按輸出物理量可分為電阻式、電容式及頻率式等；

按功能劃分：相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度、結(jié)露和多功能四種；

按所用的感濕材料可分為：陶瓷式、有機(jī)高分子式、半導(dǎo)體式和固體電解質(zhì)式。三、濕度測量的方法3、濕度敏感元件：

濕度傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成。它是把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。

按輸出物理量可分為電阻式、電容式及頻率式等；

按功能劃分：相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度、結(jié)露和多功能四種；

按所用的感濕材料可分為：陶瓷式、有機(jī)高分子式、半導(dǎo)體式和固體電解質(zhì)式。1.濕敏電阻

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量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。2.濕敏電容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、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。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。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。三、濕度測量的方法三、濕度測量的方法知識(shí)點(diǎn)名詞解釋：1.絕對(duì)濕度2.相對(duì)濕度簡單題：1.表征濕度的方法有哪些？如何測量大氣的相對(duì)濕度？5-2濕度器件的基本特性第五章濕度敏感器件第五章濕度敏感器件主要內(nèi)容1、濕度量程2、感濕特征曲線3、感濕靈敏度4、特征量溫度系數(shù)5、響應(yīng)時(shí)間6、濕滯特性1、濕度量程濕度量程：指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。它是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。高濕型(>70％RH)；中濕型(30-80％RH)；低濕型(<30％RH)；全濕度(100％RH)。MEAS-精量電子HTM1735溫濕度傳感器在30-80℃量程：0-100%RH瑞士盛世瑞恩DB00-TWS-XX壁掛式防塵探頭濕度測量范圍:0-100%RH。

溫度測量范圍:-40°C-+120°C。Dickson的溫濕度記錄儀TM320濕度測量范圍0到95%RH

2、感濕特征曲線

感濕特性曲：濕度敏感器件的感濕特征量隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化曲線，稱為感濕特性曲線。每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡稱阻濕特性。3、感濕靈敏度感濕靈敏度：簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。各種不同的濕度傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同，對(duì)于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對(duì)于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭?dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。4、特征量溫度系數(shù)

反映濕度傳感器在感濕特征量——相對(duì)濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對(duì)濕度的誤差就越小。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的環(huán)境相對(duì)濕度隨環(huán)境溫度的變化率，稱為特征量溫度系數(shù)。

R為感濕特征量，α的單位為%RH/℃。

環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。感濕溫度系數(shù)單位是%RH/℃。濕度溫度特性5、響應(yīng)時(shí)間吸濕和脫濕響應(yīng)時(shí)間：在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對(duì)濕度變化區(qū)間的63％作為相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間，也稱時(shí)間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90％的相對(duì)濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。5、響應(yīng)時(shí)間6、濕滯特性

濕度傳感器在由低濕到高濕的吸濕過程中和由高濕到低濕的脫濕過程中,不僅響應(yīng)時(shí)間不同,而且感濕特性曲線不能重合而構(gòu)成一閉合迴線,把器件的這一特性稱為濕滯特性,而把吸濕與脫濕過程的感濕特性曲線構(gòu)成的迴線稱為濕滯迴線.器件的濕滯特性常以濕滯迴差來表示．表示器件在吸濕和脫濕兩種過程感濕特征量數(shù)值相同時(shí)所指示的環(huán)境相對(duì)濕度的最大差值．濕滯迴線6、濕滯特性知識(shí)點(diǎn)1、電阻型濕敏傳感器的濕度特征曲線有何特點(diǎn)？濕

滯回差的真實(shí)含義是什么？2、試比較電阻型濕敏器件和氣敏器件的響應(yīng)恢復(fù)特

性有何異同？5-3陶瓷濕度敏感器件第五章濕度敏感器件第四章濕度敏感器件主要內(nèi)容5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理一、濕敏半導(dǎo)體陶瓷材料呈現(xiàn)高阻的原因二、陶瓷濕度敏感器件的感濕機(jī)理1.電子導(dǎo)電型感濕機(jī)理2.離子（質(zhì)子）電導(dǎo)型感濕機(jī)理5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例一、MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏器件二、ZrO系厚膜型濕敏器件三、涂覆膜型濕度敏感器件5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理一、濕敏半導(dǎo)體陶瓷材料呈現(xiàn)高阻的原因

濕敏半導(dǎo)體陶瓷器件與氣敏半導(dǎo)體陶瓷的敏感機(jī)理相比，有許多相似之處，但也有一些明顯的差別。兩者都屬表面作用過程，但氣敏主要是化學(xué)吸附，僅涉及電子的傳導(dǎo)過程。而濕敏中不僅有化學(xué)吸附，也要考慮物理吸附的作用，電導(dǎo)不僅涉及電子過程，也涉及離子的作用。

本征表面態(tài)：在晶體內(nèi)部，正、負(fù)離子均被第一近鄰的異性離子所包圍和屏蔽。在晶體的表面處，朝外一側(cè)由于沒有被異性離子所屏蔽，正、負(fù)離子各自對(duì)電子電荷具有不同的吸引作用，表面正離子具有較大的電子親和力，在略低于導(dǎo)帶底處形成受主能級(jí)；而表面負(fù)離子則在略價(jià)帶頂附近形成施主能級(jí)。這種表面能級(jí)的產(chǎn)生沒有涉及雜質(zhì)或表面吸附等作用，完全是由離子化合物的表面特性引起的，故稱為本征表面態(tài)。1.本征表面態(tài)不同的晶面：（1）懸掛鍵不同（2）露出的氧離子和陽離子的數(shù)目不同（3）本征表面態(tài)的數(shù)目不同（4）表面態(tài)的能量不同5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理2.晶界勢壘

對(duì)于多晶半導(dǎo)體濕敏陶瓷來說，晶粒間同樣會(huì)形成晶界勢壘。對(duì)N型材料在晶界處將形成雙肖特基勢壘和電子耗盡層。在P型材料的晶界處會(huì)形成空穴勢壘和耗盡層。這種勢壘對(duì)載流子的遷移會(huì)產(chǎn)生很大的阻礙作用，產(chǎn)生很大的晶粒接觸電阻。3.表面氣體或氧氣的吸附P型材料很難形成O2的化學(xué)吸附。

本征表面態(tài)晶界勢壘表面氧吸附半導(dǎo)體陶瓷高阻原因5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理二、陶瓷濕度敏感器件的感濕機(jī)理1.電子導(dǎo)電型感濕機(jī)理N型H2O(g)+Oads2-2OHads-+e吸濕后，電阻下降，負(fù)感濕特性P型H2O(g)H2O++e吸濕后，電阻升高，正感濕特性負(fù)感濕特性：把濕度敏感器件的電阻隨濕度增加而減小的現(xiàn)象

稱為負(fù)感濕特性。正感濕特性：把濕度敏感器件的電阻隨濕度增加而增大的現(xiàn)象稱

為正感濕特性。5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理2.離子（質(zhì)子）電導(dǎo)型感濕機(jī)理5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理

一般濕敏陶瓷為多孔陶瓷，吸附適量水后形成毛細(xì)現(xiàn)象，水汽在微孔中是否凝聚成液態(tài)主要由kelvin公式?jīng)Q定：r<rk的孔都凝結(jié)成水，T越低，毛細(xì)管越細(xì)，越易凝結(jié)成水rk-Kelvin半徑，r,p,M分別為水的表面能、密度、分子量；Ps飽和蒸汽壓；P-水汽分壓5-3-1陶瓷濕敏器件的工作原理Anderson提出：當(dāng)瓷體表面未形成水膜之前，主要是質(zhì)子H+在有OH-吸附的表面上做跳躍式導(dǎo)電，當(dāng)出現(xiàn)局部水膜尚未完全覆蓋時(shí)，是H+的跳躍導(dǎo)電和H3O+的擴(kuò)散同時(shí)存在；當(dāng)水膜完全覆蓋時(shí)，H+在水膜中相鄰的水分子間遷移。毛細(xì)管濕敏陶瓷的感濕機(jī)理：

親水性材料憎水性材料

5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例半導(dǎo)體陶瓷材料陶瓷濕度傳感器優(yōu)點(diǎn)：1、測濕范圍寬,可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；2、工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800℃，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡單，成本低廉。

典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4－TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例一、MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏器件MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷

MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷是典型的高溫?zé)Y(jié)型多孔濕敏陶瓷結(jié)構(gòu)，氣孔率高達(dá)25％--40％，具有良好的透濕性能。

MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷的制造工藝可采用傳統(tǒng)陶瓷的制造方法，但原料必須采用化學(xué)純或分析純級(jí)。5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例

MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷具有很高的濕度活性，濕度響應(yīng)快，對(duì)溫度、時(shí)間、濕度和電負(fù)荷的穩(wěn)定性高，是很有應(yīng)用前途的濕敏傳感器陶瓷材料，已用于微波爐的自動(dòng)控制。程序控制的微波爐，根據(jù)處于微波爐蒸汽排口處的濕敏傳感器的相對(duì)濕度反饋信息，調(diào)節(jié)烹調(diào)參數(shù)。

MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷的制造工藝流程如下：

MgO、Cr2O3、TiO2→稱量→球磨→干燥→造?！蓧骸鸁Y(jié)→切片→電極→引線→裝配→測試

5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例a.材料配比1.材料組分的選取

MgCr2O4-TiO2系半導(dǎo)體陶瓷是由P型半導(dǎo)體MgCr2O4和N半導(dǎo)體TiO2兩種晶體結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)有著明顯差別的材料燒結(jié)而成，因此這種復(fù)合氧化物陶瓷材料的電導(dǎo)及溫度特性等與材料的配比有著密切的關(guān)系。適當(dāng)改變MgCr2O4和TiO2配比和輔以適當(dāng)?shù)膿诫s可以按著需要調(diào)整材料的電阻率。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān),相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。rTi4+=0.068nm,rCr3+=0.063nm,MgCr2O4是尖晶石結(jié)構(gòu)（1）TiO2

能與MgCr2O4固溶后，Ti進(jìn)入Cr格位，都處于尖晶石的B位，存在跳躍導(dǎo)電機(jī)制：（2）促使晶粒生長和提高材料的孔隙率，有利于水的吸附和冷凝。TiO2的作用：5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例b.摻雜降阻rCr3+

=0.64?rMg2+

=0.65?Cr2O3一種P型半導(dǎo)體，MgCr2O4一種P型半導(dǎo)體TiO2是一種N型材料5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例c.溫度特性*必須根據(jù)器件特性的要求，從上述幾方面對(duì)材料配比的選取作綜合考慮5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例2.器件結(jié)構(gòu)稱料研磨成型燒結(jié)電極引線加熱線圈固定基座陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例3.器件的特性（1）電阻一濕度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00％RH時(shí)，阻值從108Ω下降到104Ω，即變化了四個(gè)數(shù)量級(jí)。20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%R/Ω5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例

（2）電阻—濕度特性是在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性。從圖可見，從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為–0.38％RH／℃。如果要求精確的濕度測量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例

（3）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于10s。MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例（4）穩(wěn)定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器，需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn)(大氣中，溫度150℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn)(濕度大于95％RH，溫度60℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；常溫常濕試驗(yàn)[濕度(10-90)％RH，溫度(–10℃-＋40℃)]；油氣循環(huán)試驗(yàn)(油蒸氣?加熱清洗循環(huán)25萬次，交流電壓5V)。經(jīng)過以上各種試驗(yàn)，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明穩(wěn)定性比較好。565.電壓特性

當(dāng)用濕度傳感器測量濕度時(shí)，所加的測試電壓，不能用直流電壓。這是由于加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，故測試電壓采用交流電壓。右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電壓之間的關(guān)系?？梢姡瑴y試電壓小于5V時(shí)，電壓對(duì)阻——濕特性沒有影響。但交流電壓大于15V時(shí)，由于產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)濕度傳感器的阻——濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般濕度傳感的使用電壓都小于10V。LgR/Ω0123456578420℃100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V濕度標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)生裝置的介紹濕度發(fā)生裝置：是指能在一定有限的空間中，定量地產(chǎn)生某一濕度的裝置。飽和鹽法產(chǎn)生濕度源是較為經(jīng)濟(jì)的手段。飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度（國際建議）

（1）定義一定溫度下不同飽和鹽溶液具有恒濕性。該飽和溶液在特定的溫度和壓力下，保持氣、固、液三相熱力學(xué)平衡。在給定的溫度和壓力下的飽和鹽溶液上方空氣具有恒定的相對(duì)濕度值。（2）飽和鹽溶液的使用條件恒濕溶液在下列標(biāo)準(zhǔn)條件下復(fù)現(xiàn)相對(duì)濕度值：Ⅰ、溶液上方水蒸氣和混合物的總壓接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa；Ⅱ、固體、液體（溶液）和氣體（空氣和水蒸氣混合物）存在熱力學(xué)平衡；Ⅲ、溶液處于適當(dāng)?shù)臏囟认?；由于相?duì)濕度與溫度密切相關(guān)，恒濕溶液對(duì)溫度穩(wěn)定性有一定的要求。必須提供一些條件避免溫度的驟變，也要避免從一個(gè)工作場所到另一個(gè)工作場所的溫差。(3)恒濕溶液恒濕溶液是由一組11個(gè)濕度固定點(diǎn)（HFP）組成的，飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值借助于11種飽和鹽獲得。標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值在溫度20℃以下，其范圍大致從4%RH到98%RH。表1.標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值由以下無機(jī)鹽溶液組成HFP4氟化銫CsF溫度從15℃至80℃HFP7溴化鋰LiBr溫度從5℃至80℃HFP11氯化鋰LiCl溫度從5℃至80℃HFP23醋酸鉀CH3COOK溫度從10℃至30℃HFP33氯化鎂MgCl2溫度從5℃至80℃HFP43碳酸鉀K2CO3溫度從5℃至30℃HFP59溴化鈉NaBr溫度從5℃至80℃HFP70碘化鉀KI溫度從5℃至80℃HFP75氯化鈉NaCl溫度從5℃至80℃HFP85氯化鉀KCl溫度從5℃至80℃HFP98硫酸鉀K2SO4溫度從5℃至50℃HFP：在給定溫度點(diǎn)，飽和鹽溶液上方的相對(duì)濕度值（4）復(fù)現(xiàn)飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值的裝置恒濕鹽溶液應(yīng)放入密閉的測量容器—一個(gè)適合于容納所檢測濕度計(jì)形狀和容積的恒濕箱。恒濕箱應(yīng)由耐腐蝕的非親水性材料做成，它應(yīng)該具有易于清潔的簡單形狀。瓶裝飽和鹽溶液實(shí)物圖不同鹽飽和溶液不同溫度下的相對(duì)濕度5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例二、ZrO2系厚膜型濕敏器件5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例質(zhì)子導(dǎo)電的工作原理1.器件的結(jié)構(gòu)及制作方法5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例2.ZrO2系厚膜濕敏器件的特性感濕及溫度特性：器件阻值在30-90%RH范圍內(nèi)改變2個(gè)數(shù)量級(jí)，說明靈敏度不高，但阻值適中，有利于應(yīng)用。隨著溫度變化，曲線平移，在60%RH時(shí)，溫度系數(shù)0.7%RH/℃a.感濕及溫度特性5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例b.響應(yīng)特性無論是吸濕還是脫濕過程均可在60S達(dá)到平衡，具有較快的響應(yīng)。c.穩(wěn)定性該傳感器在室內(nèi)放置1000h，其濕敏特性幾乎不便，3000h測試與初始值偏差小于±5%RH。5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例三、涂覆膜型濕度敏感器件1.結(jié)構(gòu)制作電極涂覆敏感層烘干引線焊接封裝5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例Rj,Cj-電極及引線的電阻和寄生電容Rd,Cd-Fe3O4微粒間接觸電阻和電容Rc,Cc-顆粒體電阻和電容實(shí)際上，Cj,Cd,Cc在低頻下都很小，可忽略，故簡化成Rj,Rd,Rc的串聯(lián)電路。而Rj,Rc很小。故Rd起主導(dǎo)作用。Fe3O4感濕膜結(jié)構(gòu)松散，微粒間的不緊密接觸，產(chǎn)生很大的接觸電阻。但水分子吸附于微粒表面后，擴(kuò)大了微粒間的接觸面積，從而使接觸電阻明顯減小。感濕機(jī)理：晶界的離子導(dǎo)電起主要作用2.Fe3O4涂敷膜型器件感濕機(jī)理5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例熱處理溫度增高，阻值增大。工作溫度不高，一般在5-40℃3.特性5-3-2陶瓷濕敏器件的實(shí)例雖然響應(yīng)時(shí)間很長，但是具有較好的長期穩(wěn)定性知識(shí)點(diǎn)1.半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件通常呈現(xiàn)高阻狀態(tài)的

原因是什么？2.在設(shè)計(jì)制作MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏器件時(shí)，應(yīng)著重考慮哪些因素？3.畫出Fe3O4涂覆膜濕敏器件的結(jié)構(gòu)圖，并說

明其感濕機(jī)理？5-4有機(jī)高分子濕度敏感器件第五章濕度敏感器件主要內(nèi)容5-4-1高分子電阻式濕敏器件1.高分子電阻式濕敏器件的工作原理2.聚苯乙烯磺酸鹽系濕敏器件的結(jié)構(gòu)及特性5-4-2高分子電容式濕度敏感器件1.高分子電容式濕敏器件的結(jié)構(gòu)2.高分子電容式濕敏器件的工作原理3.高分子電容式濕敏器件實(shí)例5-4-1高分子電阻式濕敏器件1.高分子電阻式濕敏器件的工作原理

某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；強(qiáng)極性基：在低濕下，水的吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，材料電阻很高。而當(dāng)濕度增大時(shí)，集團(tuán)化的吸附水就成為導(dǎo)電通道。高分子電解質(zhì)的正負(fù)離子就成為載流子。此外，吸附水自身離解出來的H+及H2O+也將參與導(dǎo)電，從而使高分子感濕材料電導(dǎo)增大，電阻明顯下降。5-4-1高分子電阻式濕敏器件改變親水性的基團(tuán)：酸性基團(tuán)：—COOH、—OSO3H、—OPO3H、—OCSSH、—SO3H等堿性基團(tuán)：—NH2、═NH2、

等n+mmnmnSO3H+nH2SO4mn+nOH-二乙烯苯苯乙烯聚苯乙烯硫化聚苯乙烯SO3Li聚苯乙烯磺酸鋰5-4-1高分子電阻式濕敏器件2.聚苯乙烯磺酸鹽系濕敏器件的結(jié)構(gòu)及特性1、結(jié)構(gòu)聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。5-4-1高分子電阻式濕敏器件2、主要特性（1）電阻—濕度特性當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線，如圖。在整個(gè)濕度范圍內(nèi)，電阻變化5個(gè)數(shù)量級(jí)，其阻值與相對(duì)濕度的關(guān)系在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線。濕滯回差<2％RH。5-4-1高分子電阻式濕敏器件

（2）溫度特性聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在(0-45)℃時(shí)，溫度系數(shù)為(–0.5％-–0.6％)RH/℃。5-4-1高分子電阻式濕敏器件

（3）其它特性聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應(yīng)時(shí)間比較快，降濕響應(yīng)時(shí)間比較慢，響應(yīng)時(shí)間在一分鐘之內(nèi)。濕滯比較小，在(1％-2％)RH之間。這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性。存儲(chǔ)一年后，其最大變化不超過2％RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求。高分子薄膜濕度傳感器的缺點(diǎn)是：對(duì)于含有機(jī)溶劑氣體的環(huán)境下測濕時(shí)，器件易損壞；另外不能用于80℃以上的高溫。5-4-2高分子電容式濕度敏感器件

用有機(jī)高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；

1.高分子電容式濕敏器件的結(jié)構(gòu)5-4-2高分子電容式濕度敏感器件2.高分子電容式濕敏器件的工作原理介質(zhì)層的介電常數(shù)：

ε=[V2(ε21/3

-ε11/3)+ε11/3]2（5-6）電容式高分子濕度傳感器，其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過，水的介電系數(shù)比較大，室溫時(shí)約為81。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大3-6，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化。隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加．所以根據(jù)電容量的變化可測得相對(duì)濕度。5-4-2高分子電容式濕度敏感器件3.高分子電容式濕敏器件實(shí)例（1）普通型高分子電容式濕敏器件（2）高溫型高分子電容式濕敏器件知識(shí)點(diǎn)1.試敘述聚苯乙烯磺酸鋰濕敏元件的制作過程

及相應(yīng)的反應(yīng)并說明其感濕機(jī)理。P123、124頁。2.依據(jù)高分子電容式氣敏器件結(jié)構(gòu)說明其感濕

機(jī)理。P125頁。5-5固體電解質(zhì)濕度敏感器件第五章濕度敏感器件主要內(nèi)容5-5-1固體電解質(zhì)濕敏器件的工作原理5-5-2電解質(zhì)濕敏器件的制作及其特性

1.氯化鋰濕度敏感器件2.ZrO2濕度敏感器件5-5-1固體電解質(zhì)濕敏器件的工作原理電解質(zhì)濕敏器件的敏感機(jī)理：

電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率是與溶液的濃度有關(guān)的，而溶液的濃度，在一定溫度下又是與環(huán)境濕度有關(guān)