濕敏傳感器的背景

濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)等表示。所謂絕對(duì)濕度就是單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)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ha=mv / v ，式中，mv 為待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量，v 為待測(cè)空氣的總體積。單位為g / m3 。相對(duì)濕度是表示空氣中實(shí)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ht=（pw / pn ) tx 100 % rh。通常，用rh %表示相對(duì)濕度。當(dāng)溫度和壓力變化時(shí)，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(duì)濕度也發(fā)生變化。日常生活中所說(shuō)的空氣濕度，實(shí)際上就是指相對(duì)濕度而言。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(duì)濕度將逐漸增加，增到某一個(gè)溫度時(shí)，相對(duì)濕度達(dá)100 % ，呈飽和狀態(tài)，再冷卻時(shí)，蒸氣的一部分凝聚生成露，把這個(gè)溫度稱為露點(diǎn)溫度。即空氣在氣壓不變下為了使其所含水蒸氣達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)所必須冷卻到的溫度稱為露點(diǎn)溫度。氣溫和露點(diǎn)的差越小，表示空氣越接近飽和。 　濕度的測(cè)量方式有以下幾種，即采用伸縮式濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)、露點(diǎn)計(jì)和阻抗式濕度計(jì)等。伸縮式濕度計(jì)是利用毛發(fā)、纖維素等物質(zhì)隨濕度變化而伸縮的性質(zhì)，以前多用于自動(dòng)記錄儀、空調(diào)的自動(dòng)控制等，目前用于家庭設(shè)備的是把纖維素與約50 pm 的金屬箔粘合在一起，卷成螺旋狀的傳感器。不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但不能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 　阻抗式濕度計(jì)是根據(jù)濕敏傳感器的阻抗值變化而求得濕度的一種濕度計(jì)，由于能簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，它是廣泛采用的一種方法。

一、氯化鋰濕敏電阻 　氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解, 離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。該元件由引線、 基片、 感濕層與電極組成。 　氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體, 在氯化鋰（licl）溶液中, li和cl均以正負(fù)離子的形式存在, 而li 對(duì)水分子的吸引力強(qiáng), 離子水合程度高, 其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中, 若環(huán)境相對(duì)濕度高, 溶液將吸收水分， 使?jié)舛冉档? 因此, 其溶液電阻率增高。 反之, 環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí), 則溶液濃度升高, 其電阻率下降, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。由電阻特性曲線可知, 在50%~80%相對(duì)濕度范圍內(nèi), 電阻與濕度的變化呈線性關(guān)系。 為了擴(kuò)大濕度測(cè)量的線性范圍, 可以將多個(gè)氯化鋰含量不同的器件組合使用, 如將測(cè)量范圍分別為(10%~20%)rh, (20%~40%)rh, (40%~70%)rh, (70%~90%)rh和(80%~99%)rh五種元件配合使用, 就可自動(dòng)地轉(zhuǎn)換完成整個(gè)濕度范圍的濕度測(cè)量。 　氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)是滯后小, 不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響, 檢測(cè)精度高達(dá)±5%, 但其耐熱性差, 不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量, 器件性能的重復(fù)性不理想, 使用壽命短。

二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 　半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有zno-lio2-v2o5系、 si-na2o-v2o5系、 tio2-mgo-cr2o3系、fe3o4等, 前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降, 故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷(為敘述方便，有時(shí)將半導(dǎo)體陶瓷簡(jiǎn)稱為半導(dǎo)瓷)。

通常，理想的濕敏傳感器的特性要求是，適合于在寬溫、濕范圍內(nèi)使用，測(cè)量精度要高；使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好；響應(yīng)速度快，濕滯回差小，重現(xiàn)性好；靈敏度高，線形好，溫度系數(shù)?。恢圃旃に嚭?jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單，成本低；抗腐蝕，耐低溫和高溫特性等。

半導(dǎo)體傳感器濕度的分類

濕度的分類：絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度

（1）絕對(duì)濕度：一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位g/m3，一般用符號(hào)AH表示。

（2）相對(duì)濕度：氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比，一般用符號(hào)%RH表示。

在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度這個(gè)概念。

半導(dǎo)體傳感器氯化鋰濕敏電阻

（1）原理：材料吸濕潮解或干化（能互逆），使器件的電阻率發(fā)生變化。

（2）氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)濕度高，溶液將吸收水分， 使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高?反之，環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí)， 則溶液濃度升高，其電阻率下降。見(jiàn)下圖2：

半導(dǎo)體傳感器陶瓷濕敏電阻

（1）用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。

導(dǎo)電機(jī)理：類似氣敏電阻

（2）一般有兩種：

Ⅰ：負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨溫度增加而下降水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)，有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。對(duì)于P型半導(dǎo)體，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，使其表面層的電阻下降。

Ⅱ：正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨溫度增加而增大當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降。