4-2 湿度的定义与检测方法在线视频

在介绍湿度传感器之前

我们先回顾一下

对湿度的定义的几个物理量

首先湿度指的是空气中所含

水蒸气的量

常用来表示湿度的物理量

有绝对湿度 相对湿度

以及露点或者露点温度等

所谓绝对湿度指的是单位体积的

空气中所包含水蒸气的质量

由这样一个定义式来定义

我们知道

在一定的空气条件下

绝对湿度是有一个最大值的

当我们把一个实际的空气中的湿度

相对于最大湿度进行归一化的时候

我们就得到一个相对湿度的概念

它由这样一个式子来定义

RH表示相对湿度

它等于实际的绝对湿度

与最大的绝对湿度的比值

再乘于100%

左边这个图就是一个不同温度下

最大的绝对湿度

和温度之间的一个关系

在这张图上

红色曲线表示空气中的最大湿度

可以看到最大湿度和温度

是相关的

温度越高 最大湿度会越高

其中绿线表示的是

50%的相对湿度

在不同的温度下相对的绝对湿度

实际生活中

许多与湿度有关的现象

比如水分子蒸发的快慢

人体的自我感觉

空气的干湿度等等

都是和相对湿度有关的

所以说在湿度传感器中

我们更常用的是

对相对湿度的一个检测

第三个可以用来描述湿度的

物理量

我们称之为露点

或者露点温度

同样我们用刚才这样一个图

来进行对露点进行一个介绍

对于任意一个条件下的湿度值

当我们把空气温度逐渐下降时

总会遇到一个温度

使得在这个温度上空气中的湿度

为最大湿度

这个时候所对应的温度

我们就称之为这个湿度的露点

或者露点温度

假如说绝对湿度非常地小

相对应的温度低于零度以后

我们又称这个温度为霜点

或者霜点温度

对于任何一个湿度而言

都会对应一个露点或者霜点

因此我们可以用露点

或者霜点温度

来表征空气中的湿度

下面来介绍一下

集成湿度传感器的一些工作原理

集成湿度传感器是利用一些

功能材料

这些功能材料

可以湿度发生化学或者物理反应

利用这些功能材料

制造的电容电阻

或者其他晶体管等电子元器件

由于湿度的存在

使得这些材料的一些物理特性

或者化学特性发生变化

从而对这些电子器件的一些

电学性能发生改变

从这些电子器件的性能的改变上

我们就可以得到湿度的一些信息

这个表呢

是一个对湿度传感器

进行一些分类的一个表格

从传感器的检测方式划分

可以有电容式 质量敏感式

电阻式 晶体管式

对于湿敏材料而言

我们可以用多孔陶瓷

电解质以及聚合物等等

这些湿敏材料都可以用于

刚才讲的各种检测方式里边

相对应的器件结构

比如说电容式可以有平行板电容

插指电容等等

对于质量敏感的传感器

可以采用体声波

或者表面声波的方式来检测

对于电阻式的湿度传感器

可以直接用湿敏电阻

也可以将湿敏材料涂在膜片上

利用湿敏材料吸收水分

或者形变

使得膜片才能形变

再用压阻的方式进行检测

来得到湿度信息

最后呢

还可以MOS场效应管

来进行湿度的检测

下面介绍几种常用于

湿敏传感器的湿敏材料

首先是氯化锂材料

这种材料是世界上第一个

用于电解质湿敏传感器的材料

它利用的是吸湿盐的潮解现象

当这些盐类在不同的湿度环境下

其离子电导率会发生变化

由此我们可以用这种材料

制作成电阻器件

通过检测其电阻值来获得

湿度信息

这个图就是一个典型的

利用氯化锂材料制作的

湿敏电阻器件的结构示意图

在这个结构中

氯化锂作为感湿层

电阻的两个点极为金电极

右边这个图是氯化锂

湿度传感器的湿度和电阻特性的

关系曲线图

我们可以看到

这种传感器

在吸附和脱附水蒸气的过程中

其输出信号有一定的回滞

这类传感器的特点是

响应速度快

不受环境风速的影响

然而它的缺点是

耐热性比较差

重复性比较差

寿命比较短

第二种材料是

多孔三氧化二铝材料

这种材料通过吸收空气中的

水分子以后

它的介电常数以及电导率

都会发生变化

因此这种材料制作的器件

我们可以把它看作一个电阻

和电容的并联器件

这个图呢

就是多孔三氧化二铝

在扫描电离下的照片

可以看到多孔三氧化二铝

中间的孔洞直径大概在

几十纳米附近

这个图是一个由多孔

三氧化二铝制作的典型的

湿度传感器的结构图

在这个传感器结构中

传感器的下电极由铝金属制作

中间是多孔三氧化二铝

三氧化二铝上面为一层

多孔金材料

这样一个由多孔金

多孔三氧化二铝和铝材料

形成的湿度传感器

它的等效电路

可以由这样一个图来描述

在这个电路图中

可变电阻R1和可变电容C1

表示多孔三氧化二铝中孔的结构

这个孔结构通过吸附和脱附

水蒸气

它对应的电阻和电容将会变化

C2和R2为多孔三氧化二铝中的

介质材料

对应的等效电路结构

而下面的R3和C3

描述的是多孔三氧化二铝下面

没有被多孔化的三氧化二铝

介质材料

第三种湿敏材料

常用的是是聚酰亚胺

聚酰亚胺的简写是PI

这种材料的工艺已经非常地成熟

和集成电路工艺完全兼容

它的物理特性

已经被深入地研究得非常透彻

这张图是由杜邦公司

生产的聚酰亚胺材料

它的介电常数与环境相对湿度的

之间的关系图

事实上

聚酰亚胺是一种弱亲水的材料

它只能吸收其自身重量3%的水分

但是由于水的介电常数

和聚酰亚胺的介电常数相差很多

水大约是80

而聚酰亚胺呢大概是3左右

所以即使是这么少的水

也可以使聚酰亚胺的介电常数

能够升高30%

所以聚酰亚胺可以作为湿敏材料

用来制作湿敏传感器