湿度传感器

11.4　湿度传感器

11.4.1　概述

1.湿度的概念

湿度表示空气的干燥程度或空气中水蒸气的含量，有绝对湿度H_a和相对湿度HR两种表示方法。每立方米空气中所含水气的克数称为绝对湿度:

但是，与人们的生产、生活处处相关的是相对湿度（RH），如作物生长、人们对天气的舒适感、地表水的蒸发等等。相对湿度是指大气中的水汽的饱和程度，用被测气体中水蒸气压力P_h与该气体在相同温度下饱和水蒸气压力P_s的百分比表示。

表示湿度的另一个概念是露点温度（露点）。空气越潮湿越容易凝结出水珠，凝结水珠的条件还和温度、压力有关。因此，保持气体压力一定，使混合气体中水蒸气达到饱和而开始结露或结霜的温度就是露点。由于气体中的水蒸气压，就是该混合气体露点温度下的饱和水蒸气压。因此，通过测定空气露点温度，就可以测定空气的水蒸气压。

2.湿度传感器的种类

湿度传感器（Humidity Sensor）的种类很多，原理和特性也各异。测量干湿空气的重量可以分析空气的绝对湿度，这一原理还用来制造高精度的湿度基准。动物毛发随湿度增加而伸长，这是毛发式湿度计的原理，根据这一原理选择两片随湿度膨胀特性不同的材料叠加，可制成双片式湿度传感器。这种原理还被应用于光纤式湿度传感器。根据微波在不同湿度的空气中衰减也不同，研制了微波湿度传感器；根据不同湿度的空气对红外的吸收不同可制成红外湿度传感器。此外，还有干湿球式湿度传感器、双压式湿度传感器等等。

湿度传感器按信号转换方式可以分为电阻式、电容式、频率式等；按敏感材料的性质可分为电解质型、陶瓷式、有机高分子型、半导体型。本节按此种分类法介绍几种较常见的湿度传感器。

还应注意:水蒸气容易发生三态变化。水气在材料表面吸附或结露变成液态时，水会使一些高分子材料、电解质材料溶解。也有一部分水电离成氢根和氢氧根离子，与溶入水中的许多空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏器件受到腐蚀、老化，逐渐丧失原有的性能。当水气在敏感器件表面结冰时，敏感器件的检测性能也会变坏。另外，湿敏信息的传递不同于温度、磁力、压力等信息的传递，它必须靠信息的载体——水对湿敏元件直接接触才能完成。因此，湿敏元件不能密封、隔离，必须直接暴露于待测的空气中。因此，制成长期性能稳定、可靠的湿敏器件是比较困难的。

11.4.2　溶性电解质湿度传感器

电解质溶入水后，全部或部分离解为能自由移动的正负离子，因而具有导电能力。电解质的导电能力与电解质的性质和浓度有关。

大多数电解质具有吸水性，将电解质的饱和溶液置于一定温度的环境中，若环境的湿度高于溶液的水蒸气压时，电解质将从环境中吸水，降低溶液表面上的水蒸气压，也使电解质溶液的浓度降低，电导升高。反之，环境湿度低于溶液中的水蒸气压时，溶液将脱湿，向环境释放水分，使溶液的浓度增加，甚至有固相析出；有固相析出的溶液是饱和溶液。当温度一定时，其浓度不变，其电导也不变。利用电解质溶液吸湿和脱湿性可制成电解质湿敏材料。

氯化锂（LiCl）是一种强吸湿类无机盐。将纯净的氯化锂置于潮湿环境中，在水合分子LiCl·3H₂O形成以前，由于氯化锂还不能形成溶液也就不能导电。此后，氯化锂吸湿形成氯化锂饱和溶液。在30℃时，其对应的水蒸气压为480Pa，湿度为11.8%RH。

LiCl湿敏传感器有两种典型结构，如图11-19所示:（a）为柱状，（b）为片状。衬底材料一般为聚碳酸酯、聚苯乙烯等工程塑料。起胶合剂作用的聚乙烯醇（PVAc）和LiCl溶液涂在衬底上形成均匀的敏感膜，用Pd丝作成双丝绕线电极，或用真空镀膜的方法制成梳状电极。

图11-19　LiCl湿敏器件结构

（a）柱状；（b）片状

图11-20　LiCl膜湿度—电阻曲线

图11-20为单片LiCl敏感器件的感湿特性图。随着敏感膜LiCl浓度的增加，湿度—电阻特性曲线左移。一般单片敏感器件的测量范围很有限；常把不同量程的敏感器件组合起来使之能测量10%～90%RH的湿度。

LiCl湿敏传感器是使用广泛的湿敏感传感器件，它具有测量范围宽，可达10%～90%RH，精度可达3%RH，响应快、滞后小（＜2%RH），结构简单，成本低等特点，适合于在-10～50℃温度环境中应用，但不宜用在重污染环境中。另外由于LiCl吸水性很强，存在潮解后流失倾向，导致传感器失效，故也不宜用于结露环境中。

11.4.3　固体电解质湿度传感器

固体电解质湿度传感器可以在100℃以上的温度使用。典型材料如ZrO₂-Y₂O₃（氧化锆-氧化钇）。采用限界电流原理的ZrO₂-Y₂O₃高温湿度传感器如图11-21所示。采用Y₂O₃稳定ZrO₂，在ZrO₂基片的同一平面上设置阳极和阴极，阴极用多孔Pt制成。陶瓷基座可以对固体电解质加热。阴极的微孔结构有限制氧扩散的作用，控制氧从阴极向阳极输送时产生的电流。限界电流的大小与氧含量有关，而水蒸气在高温下分解成氧和氢，因此可以通过测氧来测定水蒸气的含量。在环境温度为150℃时，使湿度（水蒸气压）由0变到5.3×10⁴Pa，测得电压-电流特性曲线如图11-22所示。由图可看出，在1.4V以下，产生第一限界电流I_L1，1.4V以上产生第二限界电流I_L2。I_L2与水蒸气压的变化关系如图11-23所示，近似为线性关系。

图11-21　ZrO₂湿度传感器

这种传感器有较好的温度特性。当温度从20℃变化到250℃时，I_L2的变化折合成水蒸气压仅为2.67×10²Pa。传感器经过高温、高湿（80℃、90%RH）的加速老化后，有较好的稳定性，连续工作10000小时，传感器的误差不超过700Pa。

图11-22　限界电流特性曲线

图11-23　第二限界电流特性曲线

11.4.4　陶瓷湿度传感器

陶瓷湿度传感器是应用最广泛的一类传感器。它利用了陶瓷多孔结构凝聚水分子形成导电通路，从而改变陶瓷的电导率或电容量。陶瓷湿度传感器也是目前种类最多的一类传感器。按敏感元件材料的晶体结构可分为:尖晶石结构（如MgCr₂O₄-TiO₂系、ZnCr₂O₄系陶瓷）、钙钛矿型结构（BaTiO₃、La_xBa1-xTiO₃陶瓷）、多孔膜结构（Fe₃O₄、Al₂O₃）等。按敏感元件制作工艺分为:涂覆膜型、烧结型、厚膜型、薄膜型及MOS管型（MOS管型湿度传感器与ISFET型离子敏传感器原理相同）。本节按此分类介绍几种典型的湿度传感器。

1.涂覆膜型

这类湿度传感器的制作工艺是:把感湿材料粉末（主要是金属氧化物）调成浆料，用笔涂或喷雾在已制好的梳状电极或平行电极的基板上，基板材料可以是滑石瓷、氧化铝或玻璃等，最后烘干。制作这类湿度传感器的典型材料是Fe₃O₄、Al₂O₃。这种传感器的主要特点是制作和使用都比较简单，成本低，但湿滞误差较大，一般用于民用电器或要求不高的湿度测量。

2.烧结型

这类湿度传感器用典型陶瓷工艺制作。将一定粒度的陶瓷粉末添加成型剂，用压力轧膜、流延或注浆等方法成型，然后在适合的温度、气氛条件下烧结，再经冷却清洗后挑选出合格产品加装电极，就得到了陶瓷湿敏元件。这类元件的工艺成熟、简单，敏感元件的可靠性和重现性等性能比涂覆型要好，典型的材料有:MgCr₂O₄-TiO₂（MCT）系、ZnCr₂O₄系、钙钛矿系等。

图11-24　MCT湿敏传感器结构

MCT湿敏元件是典型的多孔陶瓷烧结型湿敏元件。纯MgCr₂O₄是不导电的，添加TiO₂并经高温锻烧后，MgCr₂O₄的晶体结构中呈现过量的MgO而形成半导体。TiO₂的添加量还可控制陶瓷的气孔直径，改变陶瓷的吸湿性能。传感器结构如图11-24所示，在MCT陶瓷的两侧面设置多孔的金或二氧化钌电极，并于感湿元件烧结在一起，电极的引线一般用贵金属丝。金短路环的作用是防止电极吸湿和粘污引起电极间漏电，MCT陶瓷外面设有镍铬丝绕成的加热清洗器，以便对敏感元件进行加热清洗，消除有害气氛的影响。

烧结型湿敏传感器的特点是:

（1）量程宽，可以实现全湿范围内的湿度测量；（2）工作温度高，最高工作温度可达800℃；（3）灵敏度较高，湿度从1%RH变化到80%RH时，电阻值变化可达4000Ω以上；（4）响应时间短，一般不超过10s；（5）精度高，可达1.4%RH，一般为5%RH左右；（6）工艺简单，成本低。

应用中应注意:

（1）电极间存在电容影响，不宜采用直流供电。

（2）敏感元件一般可看作一个电阻，电阻值受温度影响需要温度补偿，电阻与温度关系为:

图11-25　陶瓷湿敏传感器测量电路

式中，R_T0为湿敏元件在温度T₀时的电阻值，B为常数。为消除温度影响，一般串联一个热敏电阻R_s，并使B值与湿敏电阻R值相等。即:

测量电路原理如图11-25所示，此时:

与温度无关。

（3）加热清洗，多孔结构的陶瓷元件使用一段时间后，陶瓷表面的污垢容易堵塞毛细孔，影响元件的感湿性能。加热到400℃左右，元件可恢复原有的感湿性能。

有时不允许给湿敏元件加热清洗，因此又开发出无需加热清洁型的ZnO-Cr₂O₃陶瓷湿敏传感器。

3.厚膜型

厚膜型湿度传感器利用了丝网印刷工艺，与烧结型相比，离散性小，合格率高，易批量生产，所以是陶瓷湿敏传感器的一种发展趋势。

厚膜型湿敏传感器的芯片如图11-26所示。在氧化铝基片上先制成一对梳状电极，将ZrO₂-Y₂O₃粉末加乙甘醇乙基和环氧树脂调和成浆料，用丝网印刷法把浆料印在梳状电极上，形成20μm的感湿膜，然后干燥、烧结，再焊上外引线，封装外壳就制成了湿度传感器，其外形如图11-27。保护壳用聚丙烯材料制成，上面开有一个过滤膜透湿窗，可滤除灰尘污垢，但可透过水气。

图11-26　厚膜型陶瓷湿敏传感器件

图11-27　厚膜型陶瓷湿敏传感器

4.薄膜型

图11-28　薄膜型陶瓷湿敏传感器

薄膜型湿度传感器利用金属氧化物的强吸湿性制成电容器件，其结构如图11-28所示。薄膜型陶瓷湿度传感器采用平行板制成平板电容，上下两层是金属电极，中间是感湿薄膜。电极为多孔结构，厚度只有几百埃，可以保证水汽自由进出。中间多孔金属氧化物的孔径、孔的分布都会影响到器件的感湿性能。这种结构的湿敏元件兼有电容、电阻随湿度变化两种感湿性能。一方面，平行板间的电容值由金属氧化物和水的介电常数共同决定，另一方面，气孔吸附水分子使透气孔表面电阻减小。但湿敏电容比湿敏电阻的灵敏度高得多，所以表现出湿敏电容特性。

常用的金属氧化物材料是三氧化二铝（Al₂O₃）和五氧化二钽（Ta₂O₅）。薄膜型湿度传感器响应很快，但高温环境下宜采用钽电容式湿敏传感器。

除上述两种电容性湿度传感器外，近年还研制了电阻性的硒膜湿度传感器。

11.4.5　高分子湿度传感器

高分子湿度传感器是近年来研究开发较多的湿度传感器。它的特点是:响应范围宽（0～100%RH）；可借用已有的IC技术及薄膜制造技术，在同一基片上同时制造出许多芯片，耐湿、耐水、稳定性和一致性好；成本低、并容易实现小型化、智能化、集成化。

有机高分子湿度传感器按测量原理可分为电量变化型和质量变化型两类。其中，质量变化型材料因吸湿产生质量变化，可构成声表面波型和石英晶体振荡型湿度传感器，电量变化型主要是电阻或电容随湿度变化。此处介绍较常见的电量变化型湿度传感器。

1.高分子电阻型湿度传感器

高分子电阻型湿度传感器有两种机理:（1）离子导电机理。一些湿度敏感材料（如聚苯乙烯磺酸锂）靠离子导电。随着环境湿度增大，材料对水气的吸附量增加，材料内部离子数量增多，电阻减小。（2）材料吸湿膨胀机理。在膨胀性高分子材料中加入含有导电性粉末（石墨、金属等）的高分子膜作为感湿材料，由于吸附水分，高分子材料膨胀，导电粉末间的距离变化，因而导致电阻增大，根据阻值的变化，就可以测量出湿度的大小，典型的如碳膜湿敏传感器件，其结构如图11-29所示。在绝缘的聚苯乙烯基片上印刷制备两个金电极，然后在电极之间涂一层含有碳粉粒的羟乙基纤维素膜。羟乙基纤维素是非导电体，具有良好的吸水性和胀缩性，碳粉粒是导电体。当环境温度增加时，纤维素膨胀，碳粉粒间接触变得松散，湿敏器件的电阻随之增大。图11-30为碳膜湿敏器件响应曲线。其标称电阻值通常为几十千欧，可在全湿范围内测量，精度一般在±5%RH左右；响应时间很快，不超过1秒钟。这种器件的缺点是易漂移，不宜长期工作在恒湿环境中。

图11-29　羟乙基纤维素碳膜湿敏器件

图11-30　碳膜湿敏器件的感湿特性

图11-31　CMOS湿敏器件横截面

2.高分子电容型湿度传感器

电容式湿敏器件的结构可采用厚膜工艺，但越来越多地采用CMOS工艺。这种湿敏器件的截面结构如图11-31所示。硅衬底上的二氧化硅是绝缘层，厚度为100nm。铝电极之间的二氧化硅被刻去。氮化硅厚度为300nm，用以防止铝电极被聚酰亚胺吸附的水气腐蚀。采用多晶硅代替电阻丝对传感器进行热清洗。感湿材料采用厚度约为1μm的聚酰亚胺（PI）高分子膜，其介电常数（ε≈5）和水分子的介电常数（ε≈80）相差较大。随着环境湿度变化，高分子膜吸附水分子引起电容器绝缘膜介电常数的变化，导致电容变化。常用的高分子材料还有醋酸丁酸纤维素（CBA）、聚砜、等离子聚合聚丙烯、全氟磺酸固体聚合物电解质（Nafion）等。

高分子电容式湿敏传感器也常称为湿敏电容，其电容值一般为几十微微法，灵敏度可达0.1PF/1%RH，其优点是响应快（一般只有几秒），温度系数小。但也存在高温易漂移，抗污染性能差等缺点。因此，高分子湿敏电容不易在60℃以上工作或存放，也不宜在有害气氛特别是氯、氨、烟气中长期工作。

集成湿敏传感器也采用电容感湿原理，如瑞士Sensirion公司的SH71，Honeywell公司的HIH36XX、4000系列。集成湿度传感器通常与温度传感器、信号调整放大电路、AD转换、通讯电路做在一起。如SHT71是一个典型的基于CMOS技术的温湿度传感器，它的主要功能有:

（1）在一个芯片上集成了湿度传感器、温度传感器、信号调整放大电路、AD转换等电路，并支持I²C总线接口；

（2）全校准相对湿度和温度输出，并具有露点计算功能；

（3）湿度输出分辨率为14位，温度输出分辨率为12位，并可编程降至12位和8位；

（4）湿度量程0～100%RH，精度±3.5%RH，重复精度0.1%RH，响应时间3秒，分辨力0.03%RH；

（5）温度量程-40～＋120℃，精度±0.9℃，重复精度±0.1℃，分辨力0.01℃；

（6）片内校准功能。

由于采用I²C接口，集成湿敏传感器的使用特别方便。

习题与思考题

11-1　简述化学传感器的结构和作用。

11-2　简述能斯特方程的意义。

11-3　简述ISFET的敏感原理；它有什么特点？有哪些应用场合？

11-4　简述ISE与ISFET的联系和区别。

11-5　如何改善电阻型半导体气体传感器的选择性？

11-6　简述MOSFET型气体传感器的原理。

11-7　什么是绝对湿度？什么是相对湿度？

11-8　电阻型湿敏器件是如何敏感湿度的？

11-9　电容型湿敏器件有什么特点？

11-10　试通过互联网查阅一种集成化学传感器的使用手册，并设计其测试电路。

【注释】

[1]溶液中真正参与化学反应（或离子交换作用）的离子有效浓度称为离子的活度。

[2]为保证玻璃敏感膜充分水合溶胀，使用前应在水中浸泡24小时。