湿度传感器工作原理

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1.湿度传感器简介
      最早的湿度检测法是达芬奇用羊毛或人头发制成的毛发湿度计。这种机械式湿度检测仪曾在测湿历史上发挥重大作用。但是随着电子技术的发展, 人们开始对电子湿度传感器进行研究。1939年, 顿蒙利用材料的电气特性研制出世界上第一个湿度传感器顿蒙湿度传感器,顿蒙湿度传感器是利用电解质溶液制成的,根据其电阻值的变化可以检测相对湿度。但是这种传感器的检测范围太小, 要想测量较宽的湿度变化必须使用多个特性不同的传感器。同时进入测湿市场的还有利用聚合物薄膜或碳膜吸湿膨胀原理制作的湿度传感器。然而,这些传感器都不能批量生产, 因为它们的制作过程需要大量的人工技巧。后来,人们又开始研究如何用半导体制造湿度传感器, 于是研制出若干种以陶瓷金属氧化物为主要材料的湿度传感器。测试了用含金属氧化物的厚膜硅或胶体涂印的传感器。此外, 还通过减小胶体电阻的办法提高响应速度。陶瓷湿度传感器会由于吸水、界面捕获现象和环境中分子等因素而使性能变坏。为防止这种情况又研制出能耐受定时加热清洗的传感器元件。后来,又由于维护困难而引入了非加热型传感器。通过特定的化学处理和老化处理可抑制特性的变化。
2.湿度传感器分类
      当前，开发的湿敏材料较多，主要有电解质和高分子化合物感湿材料、半导体陶瓷材料以及元素半导体和多孔金属氧化物半导体材料等。电解质湿度传感器具有测量范围窄、可重复性差、使用寿命短等缺点；高分子化合物湿度传感器具有感湿性能好、灵敏度高等优点，但在高温和高湿条件下性能变差、稳定差、抗腐蚀和抗沾污能力差；半导体陶瓷材料湿度传感器具有感湿性能较好、生产简单、成本低、响应时间短、可加热清洗等优点，但准确度较低、高温下性能差、难以集成化；多孔氧化物湿度传感器具有响应速度快、化学稳定性较好、承受高温和低温能力强，以及可集成化等优点。
      所用原理的种类也不少，大体可分为以下几种：1）利用吸附水分子后的电容变化；2）利用吸附水分子后的电阻变化；3）利用吸附其他水引起的物理性质变化。

3.湿敏电阻
      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。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

4.湿敏电容
      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、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。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，但其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel 公司、Philips 公司、Siemens公司等。

5.湿敏陶瓷

      湿敏半导体陶瓷元件感湿机理主要是水分子在陶瓷颗粒表面的作用过程，水分子在其表面吸附，使半导体陶瓷介电常数随湿度变化而变化。但在感湿中既有化学吸附，也有物理吸附。既要考虑电子过程，也不能忽视离子电导。电子 一 质子 (离子)导电感湿理论认为水分子在湿敏陶瓷表面和晶界处的化学吸附和物理吸附降低了表面和晶界电阻，使陶瓷总电阻随湿度增大而降低。在低湿时，水分子以化学吸附为主，陶瓷主要靠电子或空穴导电；高湿时，水分子以物理吸附为主，陶瓷主要靠质子和离子导电；在中湿时，水分子的化学吸附和物理吸附都具有重要作用。电子 一 质子 (离子)导电感湿理论是目前公认的在解释陶瓷感湿机理方面比较成功的模型，比较符合实际，被人们普遍接受。

6.测量精度
      生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。如中、低湿段(0一80%RH)为±2%RH，而高湿段(80—100%RH)为±4%RH。而且此精度是在某一指定温度下(如25℃)的值。如在不同温度下使用湿度传感器．其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。因为湿度随着温度的变化也漂忽不定的话，奢谈测湿精度将失去实际意义。所以控湿首先要控好温，这就是大量应用的往往是温湿度—体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5%RH的精度就足够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3%RH。




7.时漂和温漂
      几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，所以不能密封。这就决定了它的稳定性和寿命是有限的。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期负责重新标定。选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围，看所选传感器在指定温度下能否正常工作，温漂是否超出设计指标。相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。

8.集成湿度传感器及产品
      国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell 公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型）、Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223 型）、Sensiron 公司（SHT11、SHT15型）等。
      线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有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。
      线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223 型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH 时的输出频率为8750Hz（型值），当相对湿度从10% 变化到95% 时，输出频率就从9560Hz 减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配合数字电路或单片机、价格低等优点。