第6章  湿敏传感器

湿度是气象观测的基本参数之一，将湿度转换成电信号的传感器称为湿敏传感器

一、学习目的与要求

通过本章的学习，熟悉并掌握湿敏传感器的工作原理和硬件组成结构。重点掌握电阻式半导体陶瓷、电解质、电容式湿敏传感器的基本原理，了解半导体结型和MOS型、新型和集成型等湿敏传感器的原理，学会湿度的检测方法和接口电路，达到会用的目的。

二、课程内容

6.1  概述

6.2  湿敏电阻

6.3  电容式湿敏传感器

6.4  光学湿敏传感器

6.5  其他类型湿敏传感器

6.6  湿敏传感器的应用及发展

三、考核知识点

（1）电阻式湿敏传感器的原理；

电阻式湿度传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。

（2）电容式湿敏传感器的原理；

电容式湿度传感器，主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。它由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料，上电极构成的两个电容成串联连接。

湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小(电容量通常在48～56pf间)。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度0～100%RH的变化，传感器的输出呈0～1v的线性变化。

（3）非电阻型气敏传感器的原理；

（4）其它类型湿敏传感器；

（5）接口电路。

四、考核要求

1.识记

（1）湿敏传感器的定义及其分类；

湿度是气象观测的基本参数之一，将湿度转换成电信号的装置称为湿敏传感器。

湿敏传感器种类繁多。按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型、结露型湿敏传感器等；按照材料可分为陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式湿敏传感器等；按照测量原理可分为电阻式、电容式、光学湿敏传感器等；……把湿敏元件及转换电路放在一起称为集成湿敏传感器。

（2）相对湿度、绝对湿度 ；

相对湿度（Relative Humidity）----指某T下水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，为:

RH = e/eS×100%

空气的绝对湿度（ρv）----单位体积空气里所含水蒸气的质量。如待测空气是由水蒸气和干燥空气组成的理想混合气体，得出：  

ρv  = e M/RT

（3）露（霜）点 ；

随环境T降低，水的es逐渐下降，其e与同T下的es差值就越小。当下降到某一T0时，e = es 相等，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结为露珠，这一特定的温度被称为空气的露点。

（4）湿敏电阻的工作原理；

湿敏电阻是在基片上覆盖一层感湿材料膜，当感湿膜吸附空气中的水蒸气时电阻值会发生变化，通过测量阻值可以测量湿度。

（5）结露传感器；

结露指物体表面温度低于附近空气露点温度时表面出现冷凝水的现象，检测和控制结露对电气设备的安全和视频电子产品的质量都是非常重要的。结露传感器就是能将感受的露点湿度转换成电阻的露点传感器，只能用来检测露点

（6）电容式湿敏传感器及其分类；

利用电极间介质吸附水蒸气时电容量发生变化制成。

按照极间介质分为两大类：

1.有机高分子电容式：醋酸纤维素及衍生物为介质，如醋酸丁酸纤维素、聚酰亚胺、硅树脂。

2.陶瓷电容式：用玻璃和陶瓷如BaTiO3-BaSnO2 P型半导体多孔陶瓷材料作介质。

 通过控制陶瓷组分的分散性、孔径、粒度等，改善电容的敏感特性。

（7）光学湿敏传感器及其分类。

利用湿度环境下媒介层理化性质变化引起光传播诸性质（如光的反射系数、频率和相位等）的变化来检测温度的传感器称为光学湿敏传感器，它具有体积小响应快、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高等优点，按测量原理可以分为光敏薄膜式、光纤式、波导式等湿敏传感器。

2.领会  

（1）电阻式半导体陶瓷、电解质、电容式湿敏传感器的基本原理；

（2）半导体结型和MOS型、新型和集成型等湿敏传感器的原理。

3.简单应用

湿度的检测方法和接口电路的分析与设计。

五、本章重点、难点

重点：掌握电阻式半导体陶瓷、电解质、电容式湿敏传感器的基本原理。

难点：半导体结型和MOS型、新型和集成型等等湿敏传感器的原理，学会湿度的检测方法和接口电路。

考试题目

一、填空题

1. 电阻式湿敏传感器的工作原理是基于湿敏元件的_______随湿度的变化而变化。
2. 电容式湿度传感器主要由_______和_______两部分组成。
3. 非电阻型气敏传感器的工作原理通常不依赖于_______的变化。
4. 湿敏传感器除了电阻式和电容式外，还有_______等其他类型。
5. 湿敏传感器与后续电路连接的部件称为_______。

二、简答题

1. 简述电阻式湿敏传感器中湿敏元件电阻值随湿度变化的原因。
2. 描述电容式湿度传感器中湿敏电容的容量随湿度变化的原因。
3. 列举两种非电阻型气敏传感器，并简述其工作原理。
4. 简述其他类型湿敏传感器中的一种，并说明其特点。
5. 接口电路在湿敏传感器中的作用是什么？

三、论述题

1. 分析电阻式湿敏传感器与电容式湿敏传感器在测量湿度时的优缺点。
2. 讨论非电阻型气敏传感器在现代环境监测中的应用，并预测其未来发展趋势。

答案

一、填空题

1. 电阻式湿敏传感器的工作原理是基于湿敏元件的电阻值随湿度的变化而变化。
2. 电容式湿度传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。
3. 非电阻型气敏传感器的工作原理通常不依赖于电阻值的变化。
4. 湿敏传感器除了电阻式和电容式外，还有热传导式、光学式等其他类型。
5. 湿敏传感器与后续电路连接的部件称为接口电路。

二、简答题

1. 电阻式湿敏传感器中湿敏元件电阻值随湿度变化的原因是在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。
2. 电容式湿度传感器中湿敏电容的容量随湿度变化的原因是湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变。
3. 两种非电阻型气敏传感器包括：
   • 光学式气敏传感器：利用气体对光的吸收、反射或散射作用来检测气体浓度。
   • 热传导式气敏传感器：利用气体热传导性质的变化来检测气体浓度。
4. 其他类型湿敏传感器中的一种是热传导式湿敏传感器，其特点是通过测量湿空气与干空气之间的热传导差异来检测湿度，具有响应速度快、精度高等优点。
5. 接口电路在湿敏传感器中的作用是将传感器输出的模拟信号转换为数字信号或可处理的电信号，以便于后续电路的处理和分析。

三、论述题

1. 电阻式湿敏传感器和电容式湿敏传感器在测量湿度时各有优缺点。电阻式湿敏传感器结构简单、成本较低，但受温度影响较大，线性度较差；电容式湿敏传感器具有较高的精度和线性度，但成本相对较高，对电路要求也较高。
2. 非电阻型气敏传感器在现代环境监测中具有广泛应用，如光学式气敏传感器可用于检测空气中的有害气体浓度，热传导式气敏传感器可用于检测易燃易爆气体等。未来发展趋势可能包括提高灵敏度、增强选择性、降低功耗以及实现与其他传感器的集成和互联等。