濕度傳感器的應(yīng)用

金路 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

濕度是用來表征空氣中含水量的一個(gè)物理量。隨著社會(huì)的進(jìn)步，濕度的檢測(cè)和控制愈來愈重要。濕度傳感器是將水蒸氣的量轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的量的器件，它已被廣泛地應(yīng)用在藥物儲(chǔ)存、動(dòng)物養(yǎng)殖、溫室大棚、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1-3]。研究人員已根據(jù)不同工作原理制備了相應(yīng)的濕度傳感器，但理想的濕度傳感器應(yīng)該具有高靈敏度、長期穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間短、價(jià)格低及能在較大濕度和溫度范圍內(nèi)工作的特點(diǎn)。本文對(duì)當(dāng)前濕度傳感領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，首先介紹濕度傳感器的相關(guān)知識(shí)，之后介紹目前國內(nèi)外濕度傳感器的應(yīng)用發(fā)展，并對(duì)未來濕度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 濕度

眾所周知，水依據(jù)周圍不同的溫度和壓力存在3種不同的形態(tài)，即冰、液和氣態(tài)相，表1給出了水分子的一些性質(zhì)?？諝庵锌偸呛幸欢ǖ乃諝庵兴暮坑脻穸缺硎?。濕度涉及氣態(tài)形式的水，而水分是指液體形式中的水，因此，濕度大小服從氣體定律。

表1 水分子性質(zhì)

濕度在表示方式上有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種。絕對(duì)濕度指在壓力和溫度的影響下，單位體積中待測(cè)氣體水蒸氣的質(zhì)量，也就是水蒸氣密度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：MV—— 待測(cè)氣體水蒸氣的質(zhì)量，g；

V—— 待測(cè)氣體的總體積，m3；

Ha—— 待測(cè)氣體的絕對(duì)濕度，g/m3

相對(duì)濕度：指待測(cè)氣體水蒸氣壓和溫度相同的情況下水的飽和蒸氣壓兩者比值百分?jǐn)?shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：pV—— 待測(cè)氣體水蒸氣壓，Pa；

pw—— 溫度相同情況下水的飽和蒸氣壓，Pa；

RH—— 相對(duì)濕度，%RH

若溫度及壓力發(fā)生變化，則水的飽和蒸氣壓也發(fā)生變化，即使氣體中水蒸氣氣壓相同，其相對(duì)濕度也會(huì)變化。表2給出了表征濕度傳感器特性的常用參數(shù)。

表2 濕度傳感器特性的常用參數(shù)

2 濕度傳感器的發(fā)展

毛發(fā)式濕度計(jì)是最早的濕度計(jì)量工具，歐洲文藝復(fù)興時(shí)期達(dá)芬奇用人的頭發(fā)或者羊毛作為材料。毛發(fā)式濕度計(jì)在濕度計(jì)量歷史上發(fā)揮了很大的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們利用材料本身電氣特征制造出濕度傳感器。這種濕度傳感器利用電解質(zhì)，通過電阻值的變化來監(jiān)測(cè)濕度。其監(jiān)測(cè)范圍較小，想要測(cè)定的濕度范圍比較寬時(shí)需要選擇多個(gè)傳感器，并且傳感器的特性也各不相同。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始分析怎樣利用半導(dǎo)體材料制作濕度傳感器，并研制出由幾種材料構(gòu)成的傳感器，如陶瓷金屬氧化物傳感器。測(cè)試時(shí)，使用含金屬氧化物厚膜硅膠或者膠體涂印的傳感器，并且利用減小膠體電阻的辦法提高響應(yīng)速度[4-5]。

3 濕度傳感器的分類

濕度傳感器按照信號(hào)轉(zhuǎn)換方式分類,主要有電學(xué)式、聲學(xué)式、光學(xué)式等，其中電學(xué)式中的電容型和電阻型濕度傳感器具有成本低、體積小、設(shè)計(jì)簡單、工藝靈活等優(yōu)勢(shì)，不足之處為需要定期校準(zhǔn)、測(cè)試小于5%RH的濕度困難、線性關(guān)系不佳和相對(duì)長的響應(yīng)時(shí)間，而且不易在極端環(huán)境、偏遠(yuǎn)地區(qū)、有電磁干擾區(qū)域中使用。目前，電學(xué)式濕度傳感器在濕度傳感器市場占據(jù)著較大的市場份額[6-10]。

電容型濕度傳感器主要由檢測(cè)電極和濕敏介質(zhì)組成,其中電極有雙層平板或單層指狀電容兩種類型，濕敏材料涂覆于平板電極間或叉指電極上以實(shí)現(xiàn)感濕。電容型濕度傳感器的感濕特性體現(xiàn)在電容值與濕度值的線性關(guān)系上,而電容值主要由不同濕度下材料的介電常數(shù)特性變化決定?？刹捎胠ooyenga半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)濕敏薄膜的介電常數(shù)ε隨濕度的變化。通常使用的敏感層材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等高分子材料，電極為叉指電極,可增加水蒸氣與敏感層表面的相互作用。電容傳感器具有響應(yīng)快、線性度高、濕滯低以及長期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。近年來，鑒于CMOS- MEMS、納米技術(shù)和電容技術(shù)的新一代濕度傳感器已問世，新的器件響應(yīng)時(shí)間更短，與通常使用的器件相比，其響應(yīng)時(shí)間大約減少90%以上。

與電容傳感器相比，目前，對(duì)電阻傳感器的研究主要集中在促進(jìn)其敏感性、響應(yīng)時(shí)間、線性關(guān)系和濕滯性質(zhì)方面。電阻型濕度傳感器由濕敏電阻材料和導(dǎo)電電極組成，一般采用金屬半導(dǎo)體氧化物、鈣鈦礦陶瓷、納米有機(jī)纖維和石墨烯等作為感濕材料。利用旋涂、離子浸潤滴涂等方法將其置于電極表面或測(cè)試電極上方，根據(jù)不同濕度下電導(dǎo)率的規(guī)律性變化測(cè)得環(huán)境濕度。

電容式或電阻式濕度傳感器的測(cè)試值往往受環(huán)境溫度變化的影響。首先，對(duì)于電容式濕度傳感器，一定頻率下濕敏材料和凝結(jié)水的電荷或離子的極化受溫度影響，因此，濕度檢測(cè)時(shí)的電容值也會(huì)被環(huán)境溫度變化所干擾。其次，電阻式濕度傳感器濕敏介質(zhì)內(nèi)部的載流子遷移率、水分子脫附速率等也受溫度影響，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)得的電阻值發(fā)生變化。應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致濕度傳感器測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生線性漂移，造成一定程度的計(jì)量誤差。同時(shí)，電容式或電阻式濕度傳感器的典型響應(yīng)時(shí)間在5～60 s，雖然適合于多數(shù)情況，但在特殊領(lǐng)域（如作為呼吸傳感器)，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間過長。此外，它的準(zhǔn)確度僅為百分之幾相對(duì)濕度，當(dāng)在相對(duì)濕度0%～10%和90%～100%的極端范圍下使用，準(zhǔn)確度會(huì)更低。器件還存在較高的濕滯現(xiàn)象，濕度增大或減小時(shí)會(huì)明顯影響器件的輸出。最高工作溫度通常在80～120 ℃時(shí)無法滿足部分工業(yè)烘干方面的應(yīng)用要求。電學(xué)式濕度傳感器特性如表3所示。

表3 市場上電學(xué)式濕度傳感器特性

聲學(xué)式濕度傳感器是根據(jù)聲學(xué)信號(hào)隨濕度變化而變化的性質(zhì)制作的。目前，主要利用表面波、石英晶體微天平和體聲波特性，采用聲學(xué)方法測(cè)量濕度可歸于機(jī)械方法。水分子吸附在親水材料上時(shí)，機(jī)械性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。由于材料吸收周圍水蒸氣會(huì)引起密度的變化，而材料密度的變化又會(huì)使通過它的聲波頻率發(fā)生變化。聲學(xué)式濕度傳感器特性如表4所示。

表4 市場上聲學(xué)式濕度傳感器特性

光學(xué)式濕度傳感器是根據(jù)濕度的變化引起媒介層性質(zhì)的變化，進(jìn)而使光傳播性質(zhì)(吸收、反射系數(shù)、頻率等)發(fā)生變化的原理制作的，研究較多的主要有光纖濕度傳感器和干涉測(cè)量濕度傳感器。光學(xué)式濕度傳感器具有體積小、響應(yīng)快、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，使光學(xué)濕度傳感器能應(yīng)用在電學(xué)濕度傳感器和聲學(xué)濕度傳感器不能應(yīng)用或不適合應(yīng)用的場合，如光纖傳感器應(yīng)用在微波爐內(nèi)部，用來檢測(cè)溫度和濕度參數(shù)。由于光學(xué)傳感器不需要電動(dòng)力，因此，可用來檢測(cè)易燃的液體和氣體，并且可在惡劣的環(huán)境下(如腐蝕性物質(zhì)中)使用。光學(xué)式濕度傳感器特性如表5所示。

表5 市場上的光學(xué)式濕度傳感器特性

4 結(jié)語

本文對(duì)當(dāng)前電子、聲學(xué)和光學(xué)濕度傳感器的研究進(jìn)行了全面綜述。目前低價(jià)格的濕度傳感器仍以電容濕度傳感器和電阻濕度傳感器為主，在過去十多年研究中，電子類濕度器件的性能已有了很大提高，有望實(shí)現(xiàn)與溫度及其他傳感器的集成。在不同類型濕度傳感器中，通過厚膜和薄膜沉積技術(shù)制備的半導(dǎo)體金屬氧化物和金屬氧化物/聚合物基傳感器受到關(guān)注。與聚合物基薄膜或厚膜濕度傳感器比較，陶瓷的合成過程簡單，并且具有響應(yīng)時(shí)間短的特性，但與聚合物材料相比，其制備的濕度傳感器成本較高。

近年來的研究結(jié)果顯示，通過納米技術(shù)獲得的濕度傳感器在準(zhǔn)確度、重復(fù)性和經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有優(yōu)勢(shì)，然而將其應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境下，如何提高傳感器性能，仍具有挑戰(zhàn)。縱觀濕度傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)程，納米復(fù)合陶瓷和陶瓷/聚合物將為最有前途的材料之一，并且在愈來愈多的應(yīng)用場合下，由光子晶體制作的濕度傳感器將取代或補(bǔ)充電子濕度傳感器。