第三章5(湿敏陶瓷)PPT格式课件下载.pptx

第三章5(湿敏陶瓷)PPT格式课件下载.pptx

《第三章5(湿敏陶瓷)PPT格式课件下载.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章5(湿敏陶瓷)PPT格式课件下载.pptx（71页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。

1.湿度传感器的概念,71/10,就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。

主要由两个部分组成：

湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。

湿敏传感器的主要参数及特性,71/11,湿度量程感湿特征量-相对湿度特性曲线灵敏度温度系数响应时间湿滞回线,

（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0100%RH的整个相对湿度范围。

71/12,按照所测环境湿度的不同，湿敏电阻通常可以分为四种类型：

高湿型适用于相对湿度大丁70RH之处；

中湿型适用于相对湿度在3080RH之间；

低湿型适用于相对湿度小于30RH之处；

全湿型适用于测量0100RH之湿度。

71/13,湿敏电阻的分类,

（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、击穿电压、沟道电阻等。

湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度（或绝对湿度）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。

如下图所示是一种二氧化钛-五氧化二钒（TiO2-V2O5）湿度敏感器件的感湿特性曲线。

71/14,TiO2-V2O5的感湿特性曲线,71/15,（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。

例如，日本生产的MgCr2O4-TiO2湿度传感器的灵敏度是用一组器件电阻比表示的：

R1%/R20%、R1%/R40%、R1%/R60%、R1%/R80%及R1%/R100%。

角标表示该阻值所对应的相对湿度。

如R1%表示相对湿度在1时器件的电阻值。

71/16,（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，即,因此，环境温度将造成测湿误差。

例如，=0.3RH/时，环境的温度变化20，将引起6RH的测湿误差。

71/17,（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。

71/18,吸湿时间：

当湿度由0%RH（或接近0）增加到50%RH或由30%RH增加到90%RH时，达到平衡所需要的时间。

脱湿时间：

当湿度由100%RH（或接近100%RH）下降到50%RH或由90%RH下降到30%RH时，达到平衡所需要的时间。

一般吸湿响应快，脱湿响应慢。

湿敏陶瓷元件的响应时间大多小于30s。

71/19,响应速度,71/20,一般规律：

膜式或表面作用型元件响应快，体作用型响应慢；

吸湿时响应快，脱湿时响应慢；

物理吸附型响应较快，化学吸附型响应较慢；

空气流动时响应较快，空气静止时响应较慢等。

注意：

由于器件的吸湿和脱湿响应时间是不一样的，因此，在标明器件的响应时间时，除指明起始和终止相对湿度外，最好分别注明吸湿和脱湿情况。

在二者差别甚微时，方可统一表示。

71/21,（6）湿滞回线：

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。

如下图所示是Mn3O4-TiO2湿度传感器在80时的湿滞回线。

71/22,Mn3O4-TiO2在80时的湿滞回线,71/23,（7）电压与频率特性：

湿度传感器加热清洗的激励电压不能用直流，必须用交流。

加热使温度升高，因此电压不能过高。

传感器的感湿特征值与交流电压频率有关，因此电压的频率应有上限和下限。

71/24,除此之外，还应有使用条件、可靠性指标、稳定性、测湿精度、分辨率、使用寿命及加热清洗参数等。

湿敏元件长时间用于有油烟、灰尘等污染性的环境中，本身也会受到污染，性能下降，最后失去湿敏性能。

但是可以利用热清洗的方法恢复原有的性能，这是其他湿敏元件所不及的。

所谓热清洗，就是把湿敏陶瓷加热到400以上，使吸附在陶瓷体表面上的污染物烧掉，恢复湿敏陶瓷原来的吸附能力。

湿敏陶瓷可反复经受热清洗，其耐受热清洗的次数就决定了它的使用寿命。

例如，MgCr2O4-TiO2湿敏陶瓷可经受25万次以上的热清洗，使用寿命大于10年。

71/25,一个理想的湿敏传感器应具备的性能,71/26,使用寿命长，稳定性好灵敏度高，线性度好，温度系数小使用范围宽，测量精度高响应迅速湿滞回差小，重现性好能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低器件感湿特征量应在易测范围内,负湿敏特性的半导体陶瓷1:

ZnO-Li2O-V2O5;

2:

SiO2-Na2O-V2O53:

MgCr2O4-TiO2,71/27,正湿敏特性的半导体陶瓷1:

Fe3O4;

Ni0.6Fe2.4O4,2.湿敏传感器的分类,界限电流式湿敏传感器,湿敏传感器,电阻式,电容式,其它,电解质式,陶瓷式高分子式,陶瓷式,71/28,高分子式光纤湿敏传感器,二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等,湿敏传感器的分类,71/29,湿敏传感器的图形符号,71/30,湿敏传感器的图形符号对于半导体陶瓷湿敏传感器，其图形符号代表电阻元件。

对于多孔Al2O3湿敏传感器，其图形符号代表电阻RP和电容CP的并联。

图中，A-A端为测量电极，B-B端为加热清洗电极。

加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层中的水分子。

71/31,这是湿度传感器中最大的一类，品种繁多。

按其制作工艺可分为：

涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型等。

71/32,3.半导体陶瓷湿度传感器,通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。

71/33,特点,其优点是：

吸附水蒸气能力强且灵敏度高；

物理化学性能稳定；

响应速度快；

可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作；

工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能敏感元件；

生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。

1）涂覆膜型湿敏传感器涂覆膜型湿度敏感元件是把感湿粉料（金属氧化物）调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上制成的。

四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。

其中比较典型且性能较好的是四氧化三铁（Fe3O4）湿敏元件。

71/34,涂覆膜型Fe3O4湿敏元件，一般采用滑石瓷作为元件的基片。

在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状金电极。

将纯净的黑色Fe3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。

71/35,Fe3O4湿敏元件是能在全湿度范围内进行测量的元件，并且具有一定的抗污染能力，体积小。

但主要的缺点是：

响应时间长，吸湿过程（60RH98RH）需要2min，脱湿过程（98RH12RH）需57min，同时在工程应用中长期稳定性不够理想。

71/36,2）烧结体型湿敏传感器烧结体型湿敏元件的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的。

即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等，用压力轧膜、流延或注浆等方法成型，然后在适合的烧成条件下，在规定的温度和气氛下烧成，待冷却清洗，检选合格产品被覆电极，装好引线而成。

71/37,这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。

这类元件中较为成熟，且具有代表性的是：

铬酸镁-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2）陶瓷湿敏元件、五氧化二钒-二氧化钛（V2O5-TiO2）陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）陶瓷湿敏元件及氧化锌-三氧化二铬（ZnO-Cr2O3）陶瓷湿敏元件等。

71/38,

（1）铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件（MCT型）：

用P型半导体MgCr2O4及N型半导体TiO2粉粒为原料，配比混合，烧结成复合型半导体陶瓷。

如下图（a）所示，将烧结成的复合型半导体陶瓷割成4mm5mm0.3mm的小片；

71/39,MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构与湿度特性（a）结构；

（b）特性,护圈电极,氧化钌电极感湿陶瓷,71/40,加热器,基板,电极引线,在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铬丝烧制而成的加热清洗圈（又称Kathal加热器）；

元件固定于一种高度致密的、疏水性的绝缘陶瓷底片上；

为消除底座上测量电极之间由于吸湿和沾污而引起的漏电，在电极的四周设置了金短路环。

每次使用前，通电加热清洗线圈，将湿敏陶瓷片加热至350400，保持1060s，即可清除污染，停数分钟后，元件电阻方能恢复原值。

71/41,SM-1型湿敏传感器的特性参数,71/42,

（2）五氧化二钒-二氧化钛陶瓷湿敏元件：

71/43,V2O5-TiO2系陶瓷多孔质烧结体，可整体吸附水汽。

元件内部的两根金丝电极包埋在线卷内，通过测定电极间的电阻检测湿度。

其特点是：

测湿范围宽，能够耐高温，响应时间短；

缺点是易发生漂移，漂移量与相对湿度成比例。

（3）羟基磷灰石陶瓷湿敏元件：

71/44,该元件是目前国外研究得比较多的磷灰石系陶瓷湿敏元件。

羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性，当在54RH和100RH湿度下，以每5min加热30s（450）的周期进行4000次热循环试验后，其误差仅为3.5RH。

该元件的主要技术特性如下表所示。

羟基磷灰石陶瓷湿敏元件的主要技术特性,71/45,（4）氧化锌-三氧化二铬陶瓷湿敏元件：

71/46,以上几种烧结型陶瓷湿敏元件均需要加热清洗去污，因此不能连续测量。

国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件（如ZnO-Cr2O3）。

该湿敏元件的电阻温度系数和老化现象很小。

元件的响应速度快，0RH100RH时约为10s，湿度变化为20时，响应时间仅为2s，吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。

（5）ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器：

MgCr2O4陶瓷湿度传感器虽有抗污力强、寿命长等优点，但因阻值过高，难以实现高精度检测。

ZnO-ZnCr2O湿度传感器的阻值远小于MgCr2O4传感器。

71/47,ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器的构造如下图所示。

在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金属电极模，焊接铂铑引线，封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。

这种传感器不需用加热器，只需0.5mW的微小功率即可使用。

它已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、环境保护、家用电器等许多领域。

71/48,ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器结构,71/49,（6）Mn3O4-TiO2半导体陶瓷温湿敏传感器：

在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的（Mn3O4）0.7（TiO2）0.3，经高温烧结，即形成具有温湿敏的坚固电阻膜，其阻值较前几种烧结型陶瓷传感器都小（Rmax106）。

在膜上等间隔烧结三条银电极环，分别引出引线，再用耐热憎水性树脂覆盖其中一个敏感膜，即构成温湿敏传感器。

裸露的膜感湿，覆盖的膜感温。

元件具有感湿、感温负特性，感温一般不高于400。

71/50,部分国产湿敏元件和湿敏传感器的特性参数,71/51,ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。

71/52,4.导电机理,

（1）负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。

如果该半导瓷是型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降。

71/53,若该半导瓷为型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。

它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。

不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。

71/54,225,71/55,1-ZnO-LiO-VO系,Si-Na2O-V2O5系TiO2-MgO-Cr2O3系,几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性,正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。

当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。

于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。

通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。

71/56,

（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理,Fe3O4半导瓷的正湿敏特性,71/57,半导体陶瓷湿度传感器的优点,71/58,传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；

陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；

可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的,构造，改善传感器湿敏特性。

3.6.3湿敏陶瓷传感器的应用,71/59,1.湿敏传感器应用注意事项

（1）电源选择：

湿敏电阻必须工作于交流回路中。

若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。

采用交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。

对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50Hz，一般以100Hz为宜。

对电子导电型，电源频率应低于50Hz。

线性化：

一般湿敏元件的特性均为非线性，为便于测量，应将其线性化。

温度补偿：

通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.10.3，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。

71/60,（4）测湿范围：

电阻式湿敏元件在温度超过95RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性会变坏而不能复原。

电容式传感器在80RH以上高湿及100RH以上结露或潮解状态下，也难以检测。

另外，切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或嘴吹其表面。

71/61,测量湿度传感器阻值RP和容值CP的三种电路如下图所示。

图（a）为低频交流供电，其中R0选值远大于RP，限制电流为微安级且恒定，输出电压与RP成正比。

为了提高灵敏度而又限制温升，可采用图（b）所示的低频脉冲供电，电路中采用温度常数与RP温度系数相等的热敏电阻RT作采样电阻，以实现温度补偿。

图（c）为电容值测量电路，当电源信号频率很高时，RP的影响可忽略，CPCFU0/Ui。

71/62,2.阻容值的测量,RP、CP的三种测量电路（a）低频交流电源测RP；

（b）低频脉冲电源测RP；

（c）高频电源测CP,71/63,3.加热去污陶瓷元件的加热去污应切实控制在450。

它利用元件的温度特性进行温度检测和控制，当温度达到450即中断加热。

由于未加热前元件吸附有水分，突然加热会出现相当于450时的阻值，而实际温度并未达到450，因此应在通电后延迟23s再检测电阻值。

加热终了，应冷却至常温再开始检测湿度。

71/64,4.基本应用电路交流电源湿度检测电路如下图所示。

运算放大器接成电压跟随器，其输出经二极管整流、电容滤波，与基准电压比较以检测湿度。

比较器用于湿度检测控制。

用计时电路每隔一定时间进行一次加热去污。

通电加热时中止湿度测量，数秒后通过加热控制电路检测比较器的输出，确认已达450，则停止加热去污。

71/65,A1,A3,A4,A5,A6,+,_,_+,湿敏元件,R1,R2,R3,R4R5,R6,RT,U,SC,A2C1,C2,C3,W,交流电源湿度检测电路,D1,振荡器,71/66,传感器驱动电路,整流电路,对数放大电路,温补电路,比较器1,湿度控制,U2比较器2,U1,+,-,R,Rt,振荡电路,UCC,加热控制电路湿敏电阻测量电路方框图图中R为湿敏电阻，Rt为温度补偿用热敏电阻。

传感器的输出电压通过跟随器并经整流和滤波后，一方面送入比较器1与参考电压U1比较，其输出信号控制某一湿度；

另一方面送到比较器2与参考电压U2比较，其输出信号控制加热电路，以便按一定时间加热清洗。

71/67,（a）安装示意图,（b）电路,汽车后窗玻璃自动去湿装置,在汽车中的应用,71/68,湿度控制器电路原理图,71/69,房间湿度控制器,录像机结露检测电路,71/70,录像机结露报警控制电路,本节小结,71/71,本节要点：

湿敏陶瓷的背景湿敏陶瓷的概念、分类、基本特性湿敏特性原理湿敏陶瓷传感器的应用及其注意事项,