濕度傳感器的應用

金路 / 上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

濕度是用來表征空氣中含水量的一個物理量。隨著社會的進步，濕度的檢測和控制愈來愈重要。濕度傳感器是將水蒸氣的量轉換成可以測量的量的器件，它已被廣泛地應用在藥物儲存、動物養殖、溫室大棚、工業生產等領域[1-3]。研究人員已根據不同工作原理制備了相應的濕度傳感器，但理想的濕度傳感器應該具有高靈敏度、長期穩定性、響應時間短、價格低及能在較大濕度和溫度范圍內工作的特點。本文對當前濕度傳感領域的最新研究進展進行綜述，首先介紹濕度傳感器的相關知識，之后介紹目前國內外濕度傳感器的應用發展，并對未來濕度傳感器的發展趨勢進行了展望。

1 濕度

眾所周知，水依據周圍不同的溫度和壓力存在3種不同的形態，即冰、液和氣態相，表1給出了水分子的一些性質。空氣中總是含有一定的水汽，空氣中水汽的含量用濕度表示。濕度涉及氣態形式的水，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

濕度在表示方式上有絕對濕度和相對濕度兩種。絕對濕度指在壓力和溫度的影響下，單位體積中待測氣體水蒸氣的質量，也就是水蒸氣密度，數學表達式為

式中：MV—— 待測氣體水蒸氣的質量，g；

V—— 待測氣體的總體積，m3；

Ha—— 待測氣體的絕對濕度，g/m3

相對濕度：指待測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數，數學表達式為

式中：pV—— 待測氣體水蒸氣壓，Pa；

pw—— 溫度相同情況下水的飽和蒸氣壓，Pa；

RH—— 相對濕度，%RH

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

表2 濕度傳感器特性的常用參數

2 濕度傳感器的發展

毛發式濕度計是最早的濕度計量工具，歐洲文藝復興時期達芬奇用人的頭發或者羊毛作為材料。毛發式濕度計在濕度計量歷史上發揮了很大的作用。隨著科學技術的發展，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，通過電阻值的變化來監測濕度。其監測范圍較小，想要測定的濕度范圍比較寬時需要選擇多個傳感器，并且傳感器的特性也各不相同。隨著半導體技術的不斷發展，人們開始分析怎樣利用半導體材料制作濕度傳感器，并研制出由幾種材料構成的傳感器，如陶瓷金屬氧化物傳感器。測試時，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速度[4-5]。

3 濕度傳感器的分類

濕度傳感器按照信號轉換方式分類,主要有電學式、聲學式、光學式等，其中電學式中的電容型和電阻型濕度傳感器具有成本低、體積小、設計簡單、工藝靈活等優勢，不足之處為需要定期校準、測試小于5%RH的濕度困難、線性關系不佳和相對長的響應時間，而且不易在極端環境、偏遠地區、有電磁干擾區域中使用。目前，電學式濕度傳感器在濕度傳感器市場占據著較大的市場份額[6-10]。

電容型濕度傳感器主要由檢測電極和濕敏介質組成,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現感濕。電容型濕度傳感器的感濕特性體現在電容值與濕度值的線性關系上,而電容值主要由不同濕度下材料的介電常數特性變化決定。可采用looyenga半經驗公式預測濕敏薄膜的介電常數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快、線性度高、濕滯低以及長期穩定性好等特點。近年來，鑒于CMOS- MEMS、納米技術和電容技術的新一代濕度傳感器已問世，新的器件響應時間更短，與通常使用的器件相比，其響應時間大約減少90%以上。

與電容傳感器相比，目前，對電阻傳感器的研究主要集中在促進其敏感性、響應時間、線性關系和濕滯性質方面。電阻型濕度傳感器由濕敏電阻材料和導電電極組成，一般采用金屬半導體氧化物、鈣鈦礦陶瓷、納米有機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試電極上方，根據不同濕度下電導率的規律性變化測得環境濕度。

電容式或電阻式濕度傳感器的測試值往往受環境溫度變化的影響。首先，對于電容式濕度傳感器，一定頻率下濕敏材料和凝結水的電荷或離子的極化受溫度影響，因此，濕度檢測時的電容值也會被環境溫度變化所干擾。其次，電阻式濕度傳感器濕敏介質內部的載流子遷移率、水分子脫附速率等也受溫度影響，進而導致測得的電阻值發生變化。應用在實際環境中，溫度的變化會導致濕度傳感器測試結果產生線性漂移，造成一定程度的計量誤差。同時，電容式或電阻式濕度傳感器的典型響應時間在5～60 s，雖然適合于多數情況，但在特殊領域（如作為呼吸傳感器)，這個響應時間過長。此外，它的準確度僅為百分之幾相對濕度，當在相對濕度0%～10%和90%～100%的極端范圍下使用，準確度會更低。器件還存在較高的濕滯現象，濕度增大或減小時會明顯影響器件的輸出。最高工作溫度通常在80～120 ℃時無法滿足部分工業烘干方面的應用要求。電學式濕度傳感器特性如表3所示。

表3 市場上電學式濕度傳感器特性

聲學式濕度傳感器是根據聲學信號隨濕度變化而變化的性質制作的。目前，主要利用表面波、石英晶體微天平和體聲波特性，采用聲學方法測量濕度可歸于機械方法。水分子吸附在親水材料上時，機械性質會發生變化。由于材料吸收周圍水蒸氣會引起密度的變化，而材料密度的變化又會使通過它的聲波頻率發生變化。聲學式濕度傳感器特性如表4所示。

表4 市場上聲學式濕度傳感器特性

光學式濕度傳感器是根據濕度的變化引起媒介層性質的變化，進而使光傳播性質(吸收、反射系數、頻率等)發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量濕度傳感器。光學式濕度傳感器具有體積小、響應快、抗電磁干擾等優點，使光學濕度傳感器能應用在電學濕度傳感器和聲學濕度傳感器不能應用或不適合應用的場合，如光纖傳感器應用在微波爐內部，用來檢測溫度和濕度參數。由于光學傳感器不需要電動力，因此，可用來檢測易燃的液體和氣體，并且可在惡劣的環境下(如腐蝕性物質中)使用。光學式濕度傳感器特性如表5所示。

表5 市場上的光學式濕度傳感器特性

4 結語

本文對當前電子、聲學和光學濕度傳感器的研究進行了全面綜述。目前低價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，有望實現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制備的半導體金屬氧化物和金屬氧化物/聚合物基傳感器受到關注。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，并且具有響應時間短的特性，但與聚合物材料相比，其制備的濕度傳感器成本較高。

近年來的研究結果顯示，通過納米技術獲得的濕度傳感器在準確度、重復性和經濟效益等方面都具有優勢，然而將其應用在實際環境下，如何提高傳感器性能，仍具有挑戰。縱觀濕度傳感器的設計進程，納米復合陶瓷和陶瓷/聚合物將為最有前途的材料之一，并且在愈來愈多的應用場合下，由光子晶體制作的濕度傳感器將取代或補充電子濕度傳感器。