【相关知识与技能】
一、湿敏电阻传感器
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。
1.湿度的概念和表示方法
湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。
绝对湿度（Absolute Humidity）是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，一般用符号AH表示，
，单位为g/m3。
相对湿度（Relative Humidity）是指被测气体中水蒸气气压和相同温度下饱和水蒸气气压的百分比，一般用符号RH表示，
×100%。相对湿度给出了大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。
保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露时的温度称为露点温度（单位为℃），通常简称为露点。
空气的相对湿度越高，就越容易结露。混合气体中的水蒸气压就是在该混合气体露点温度下的饱和水蒸气压。因此，通过测定空气露点的温度，就可以测定空气的水蒸气压。
2.湿度传感器的特性参数
（1）湿度量程
保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0～100%RH的全量程。
（2）感湿特征量
感湿特征量包括电阻、电容、电压、频率等。
（3）感湿灵敏度
在一定湿度范围内，相对湿度变化1%RH时，其感湿特征量的变化值或变化百分率，称为感湿灵敏度。
（4）响应时间
在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间，称为响应时间。响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定，响应相对湿度变化量的63.2%时所需要的时间为响应时间。分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为响应时间。
（5）湿滞回差
各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同，一般总是脱湿比吸湿滞后，我们称这一特性为湿滞现象。
（6）感湿温度系数
在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值（或电容值）达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。
3.湿度传感器的分类
湿度传感器主要分为二大类：水分子亲和力型和非水分子亲和力型。具体分类如图5-1所示。
图5-1 湿度传感器分类
4.常用的湿敏电阻传感器
常用的湿敏电阻传感器主要有电解质湿敏电阻传感器、金属氧化物陶瓷湿敏电阻传感器、金属氧化物膜型湿敏电阻传感器、高分子材料湿敏电阻传感器等。
（1）氯化锂湿敏电阻传感器
氯化锂湿敏电阻传感器结构如图5-2所示，它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体。若环境相对湿度高，氯化锂溶液将吸收水分，使浓度降低，其溶液电阻率增高；反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降。氯化锂湿敏电阻的湿度—电阻特性曲线如图5-3所示。
图5-2 氯化锂湿敏电阻传感器
1—引线；2—基片；3—感湿层；4—金属电极
图5-3 氯化锂湿敏电阻的湿度—电阻特性曲线
氯化锂湿敏电阻传感器的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度可达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。
（2）半导体陶瓷湿敏电阻传感器
半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷，这些材料包括ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe2O3等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷，下面介绍两种这种类型的湿敏传感器。
① ZnO-Cr2O3湿敏传感器。ZnO-Cr2O3湿敏传感器的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5-4所示。ZnO-Cr2O3湿度传感器能连续稳定地测量湿度，无需加热除污装置，功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。
图5-4 ZnO-Cr2O3湿敏传感器
② MgCr2O5-TiO2湿敏传感器。MgCr2O5-TiO2湿敏传感器的电阻率低，阻值温度特性好，结构如图5-5所示。在MgCr2O5-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起。为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气体对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。这种传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少，又随周围环境温度的变化而有所变化。
图5-5 MgCr2O5-TiO2湿敏传感器
1—引线；2—多孔性电极；3—多孔陶瓷；4—底座；5—镍铬加热丝；6—外壳；7—引脚
（3）金属氧化物膜型湿敏电阻传感器
某些金属氧化物的细粉吸附水分后有速干特性，利用这种现象可以研制生产出金属氧化物膜型湿敏电阻传感器，如图5-6所示。将调制好的金属氧化物的糊状物置于在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干的方法使其固化成膜。这种膜可以吸附或释放水分子而改变其电阻。
图5-6 金属氧化物膜型湿敏电阻传感器结构
1—基片；2—电极；3—金属氧化物膜；4—引脚
5.高分子薄膜湿敏电容传感器
高分子薄膜湿敏电容传感器如图5-7所示，其采用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、醋酸纤维等。
图5-7 高分子薄膜湿敏电容传感器
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，其精度一般比湿敏电阻要低一些。同时其具有体积小、感湿范围宽、抗污染能力强、抗结露、性能稳定可靠、性价比高等特点。
6.集成湿敏传感器简介
近年来，国内外在湿敏传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。目前，国内外生产的集成湿敏传感器可分成以下三种类型。
（1）线性电压输出集成湿敏传感器
典型产品有HSM20、HSM40、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。
（2）线性频率输出集成湿敏传感器
典型产品为HF3223。它采用模块式结构，当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
（3）频率/温度输出式集成湿敏传感器
典型产品为HTF3223。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，配上二次仪表可测量出温度值。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变。