湿度传感器的应用、原理、分类、及性能参数

一、湿度传感器的应用

湿度与人类的生活密切相关，任何行业的都离不开空气，而空气的湿度又与工作、生活、生产有直接联系，使湿度的监测与控制越来越显得重要。应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，但是原理、材料、结构，工艺各不相同．其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。湿度传感器的应用主要有以下几个方面：

1）气候监测天气测量和预报对工农业生产、军事及人民生活和科学实验等方面都有重要意义，因而湿度传感器是必不可少的测湿设备。

2）温室养殖现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围，是减少病虫害、提高产量的条件之一。

3）工业生产　在纺织、电子、精密机器、陶瓷工业等部门，空气湿度直接影响产品的质量和产量，必须有效地进行监测调控。

4）物品储藏　各种物品对环境均有一定的适应性。湿度过高过低均会使物品丧失原有性能。如在高湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件会发霉变质，金属零件会腐蚀生锈。

5）精密仪器的使用保护　许多精密仪器、设备对工作环境要求较高，环境湿度必须控制在一定范围内，以保证它们的正常工作，提高工作效率及可靠性。如电话程控交换机工作湿度在55 %-10 %较好。温度过高会影响绝缘性能，过低又易产生静电，影响正常工作。

二、湿度传感器的原理

湿度包括气体的湿度和固体的湿度。气体的湿度是指大气中水蒸气的含量，度量方法有绝对湿度，即每立方米气体在标况下（0℃，1大气压）所含有的水蒸气的重量，即水蒸气密度；相对湿度，即一定体积气体中实际含有的水蒸气分压与相同温度下该气体所能包含的最大水蒸气分压之比；或含湿量，即每㎏干空气中所含水蒸气的质量。其中相对湿度是最常用的。固体的湿度是物质中所含水分的百分数，即物质中所含水分的质量与其总质量之比。

利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的泽天湿度传感器称为水分子亲和力型湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的泽天湿度传感器；把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器，其主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。其吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。这种将空气相对湿度转换为其电阻值的测量方法称为吸湿法湿度测量。氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。

三、湿度传感器的分类

湿度传感器从测量的湿度范围可以分为高湿型（大于70%RH）、低湿型（小于40%RH）、全湿型（0～100%RH）；根据敏感方案是否基于水分子的极性吸附特性，可以把湿度传感器分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型。根据湿敏材料的不同可以对水分子亲和力型湿度传感器进一步分类；根据测量原理的不同可以对非水分子亲和力型湿度传感器进一步分类。

1、水分子亲和力型湿度传感器

根据使用材料的不同，水分子亲和力型湿度传感器分为以下四类

1）电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。

2）陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。

3）高分子型：在绝缘基板上通过涂覆或者旋转涂膜仪附上一层有机高分子感湿膜制备成湿敏元件。其基本特点是材料来源广泛、制作工艺简单、无需加热清洗、适于批量生产，应用范围广，实用性强。另外，其性能优异，可用于较宽湿度范围的测量，湿滞回差小、响应速度快、温度系数小、使用寿命长。在高分子型湿度传感器的研究领域，聚合物电解质由于其特殊的一些优点比如：容易加工、价格低廉、响应快而且灵敏度高而被研究者在过去的几年中广泛关注。然而其不足之处是由于其在水中的可溶性而使其在应用时在高湿度下会影响其湿敏性质。

4）单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

2、非水分子亲和力型湿度传感器

利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度，可以制成热敏电阻式湿度传感器；利用微波或超声波在含水蒸汽的空气中传播时，传输损耗的能量与环境空气中的湿度的相关性来测定湿度，可以制成微波或超声波湿度传感器；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度，可以制成红外吸收式湿度传感器。

从湿度的敏感材料的不同可分为：半导体氧化物、高分子材料、多孔的有机或无机材料等。湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式和电容式两大类：

1）电阻式湿敏传感器

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是灵敏度高，缺点则是线性度和产品的互换性差。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。其湿敏材料以多孔陶瓷种类最多。

2）电容式湿敏传感器

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，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。

除电阻式、电容式湿敏传感器之外，还有电解质离子型湿敏传感器、重量型湿敏传感器（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、石英振子式湿敏传感器、光强型湿敏传感器、声表面波湿敏传感器等。

无论哪种形式的湿敏传感器，其产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸气吸附于感湿材料后，引起元件的质量、阻抗、介电常数等参数发生变化，从而制成湿敏元件。因此，传统的湿敏传感器还存在着以下一些问题：

1）长期稳定性差。在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

2）传感器的互换性差，对气体的选择性也较差。

3）校准和标定的时间长而复杂。因为此类传感器的输出信号通常是非线性的，这使得定标有一定困难。

四、湿度传感器的性能参数

湿度传感器的特性参数主要有：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、感湿特征量-相对湿度特性曲线等。

1）湿度量程：它是指湿度传感器能够较精确测量的环境湿度的最大范围。由于各种湿度传感器所使用的材料及依据的工作原理不同，其特性并不都能适用于0～100%RH的整个相对湿度范围。

2）感湿特征量-相对湿度特性曲线：湿度传感器的输出变量称为其感湿特征量，如电阻、电容等。湿度传感器的感湿特征量随环境湿度的变化曲线，称为传感器的感湿特征量-环境湿度特性曲线，简称为感湿特性曲线。性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线，应有宽的线性范围和适中的灵敏度。

3）灵敏度：湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。大多数湿度敏感器件的感湿特性曲线是非线性的，因此尚无统一的表示方法。较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示。

4）湿度温度系数：它定义为在器件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率因此，环境温度将造成测湿误差。例如，湿度为0.3％RH/℃时，环境的温度变化20℃，将引起6％RH的测湿误差。

5）响应时间：它表示当环境湿度发生变化时，传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数。响应时间用时间常数来定义，即感湿特征量由起始值变化到终止值的0.632倍所需的时间。可见，响应时间是与环境相对湿度的起止值密切相关。

6）湿滞回线和湿滞回差：一个湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线不相重复，一般可形成为一回线，这种特性称为湿滞特性；其曲线称为湿滞回线。