湿度传感元件制备、封装及检测电路设计的研究进展*

丁书聪， 黄宜明， 王 晓， 梁峻阁， 顾晓峰

（江南大学电子工程系物联网技术应用教育部工程研究中心， 江苏 无锡 214122）

1 引言

湿度传感器是一种将环境湿度信息线性转换成电学、光学、频率等不同信号的器件，主要的研究集中在湿敏材料优化和检测电极设计两个方面[1-3]。 此外，湿度传感器的感湿性能与器件封装和检测电路配置也密切相关。 湿敏材料是影响传感器检测性能的核心因素，也是湿度传感领域的研究重点。 本文从湿敏薄膜的材料与结构特性出发，结合感湿机理分析了对传感器灵敏度、迟滞、反应时间等感湿参数的影响[4-7]。 在此基础上，阐述了当前湿度传感器常用的封装方案及检测电路的构成对湿度检测特性的影响。

2 湿度传感器感湿机理与分类

在湿度环境下，不同湿敏材料具有不同的电荷迁移[8]和介电扰动[3]机理，湿度传感器展现出的湿度敏感特性也截然不同，主要体现在灵敏度、湿度检测范围、迟滞、反应速度等方面。 根据湿敏材料的种类，湿度传感器可划分为陶瓷类、聚合物类、电解质类等形式，对湿敏材料微纳结构和材料性质的调整可针对性地优化传感器的感湿特性。

2.1 湿敏材料的感湿机理

湿度传感器的感湿机理主要包括离子型感湿和电子型感湿，前者在高湿度区间起主导作用，后者可辅助提升低湿度区间的感湿性能。 离子感湿机理又称为Grotthuss 机理，以SnO2多孔薄膜为例，其感湿机理如图1 所示。 在低湿环境下， 第一层水分子会吸附于氧空位上，并以双氢键的形式与材料分子键合，这种化学吸附会形成不连续的水分子层，由于低湿阶段的水分子解离十分微弱，电子在水分子与氧离子之间的迁移成为了导电率增加的主要原因[9]。 随着环境湿度的增加，高湿下水分子会与化学吸附层形成单氢键实现物理吸附的过程， 该层的水分子可以自由移动，Grotthuss 机理逐渐成为电荷导电的主要机制，其质子传输过程为：H2O+H3O+→H3O++H2O[6]。

对于诸如钙钛矿结构的陶瓷等半导体湿敏材料而言，除离子型感湿以外，电子导电也参与了传感器的感湿过程。 低湿环境下材料表面束缚的电荷因为掺杂作用被释放出来，此外还原出的氧离子和自由电子吸附在材料表面[7]，该过程中电子导电占据主导地位。随着湿度的继续增加，外层水分子被材料表面的缺陷态吸附后产生解离作用，该阶段离子类导电再次起主导作用。

图1 SnO2 纳米纤维感湿机理[5]

2.2 湿敏材料的分类

湿度传感器按照转换信号类型分类，主要有电学式[10-11]、光学式[12]、声学式[13]、谐振式[14]等，其中电学式中的电容型和电阻型湿度传感器具备成本低、 体积小、工艺灵活等优势，在湿度传感器市场占据主要地位[15]。

电容型湿度传感器主要由检测电极和湿敏介质组成，其中电极有双层平板或单层指状电容2 种类型[16]， 湿敏材料涂覆于平板电极间或叉指电极上以实现感湿（图2）。 电容型湿度传感器的感湿特性体现在电容值与湿度值的线性关系上，而电容值主要由不同湿度下材料的介电常数特性变化决定。 湿敏薄膜的介电常数εs随湿度的变化可采用looyenga 半经验公式预测[17]：

其中v、εp、εH2O分别代表所吸附水蒸气的体积占比、聚酰亚胺的介电常数以及水的介电常数。

图2 常见电容式湿度传感器结构[18-19]

使用电容型传感器进行湿度检测一般在固定频率下，例如100 Hz、1000 Hz 等，因此其测得的电容值除了受到介电常数的影响外，也受到测试频率的影响[20]：

其中γ、ω、ε0分别为电导率、角频率和自由空间介电常数。 由式（2）可知，电容值与电导率呈正相关，与频率呈负相关。 高频高湿环境下的聚合物介电材料会产生吸水膨胀效应，该过程中离子导电使得漏电导上升[20]，削弱了湿敏电容响应，因此选择合适的测试频率对电容型湿度传感器检测结果有着重要影响。 此外，敏感介质和水分子的极化特性也会受工作频率影响，进而改变湿敏薄膜整体的复介电特性[16]。

电阻型湿度传感器由湿敏电阻材料和导电电极组成，一般采用金属半导体氧化物、钙钛矿陶瓷、纳米有机纤维和石墨烯等作为感湿材料。 利用旋涂、 离子浸润、滴涂等方法将其置于电极表面或测试电极上方，根据不同湿度下电导率的规律性变化能够测知环境湿度。湿敏材料的阻抗Z=R+jX[21-22]，参考式（2）可知，电导率与介电常数和频率均呈现负相关性，在合适的检测频率下， 湿敏电阻薄膜可等效为图3 所示的电路模型[23]，其中Rs代表金属电极的欧姆接触，不受环境湿度的影响。 在低湿状态下， 敏感薄膜被等效为湿敏电阻与恒相位元件的并联结构；在高湿状态下，除湿敏薄膜电阻外，离子导电元件CPE2与湿敏电阻串联，使得湿敏薄膜转化为Warburg 阻抗[24]，从而导致阻抗值大幅下降。考虑到水分子的离子极化仅在较低频下进行[18]，通过调节测试频率，可以调节电阻型湿度传感器在检测线性度和灵敏度之间的平衡关系。

图3 湿敏薄膜的等效阻抗图[23]

电容式或电阻式湿度传感器除受检测频率影响外，其测试值往往也受到环境温度变化的影响。 首先，对于电容式湿度传感器而言，一定频率下敏感材料和凝结水的电荷或离子的极化受到温度影响[25]，因此湿度检测时的电容值也会被环境温度变化干扰。 其次，电阻式湿度传感器敏感介质内部的载流子迁移率、水分子脱附速率等也受到温度影响，进而导致测得的电阻值发生变化[26]。在实际应用环境中，温度的变化会导致湿度传感器测试结果产生线性漂移，造成一定程度的检测误差。

对此湿度传感器需要配置相应的校准系统或补偿方案， 主要分为硬件补偿和软件补偿两种。 硬件补偿方案是通过惠斯通电桥差分检测、集成微型加热器、集成温敏电阻等[26-28]方式实现温度补偿。软件补偿方案则主要包含人工神经网络、反向传播神经网络、线性拟合算法等[29]。与硬件补偿方案相比，软件补偿凭借更低的成本、更灵活的补偿范围和更高的补偿精度逐渐成为解决湿度传感器温度漂移问题的主流技术[30]。

3 湿度传感器的检测参数及优化

湿度传感器的性能参数包括灵敏度、迟滞、反应恢复时间、可靠性、稳定性等，当前研究热点集中在对灵敏度和迟滞的改善上。 不同湿度传感器灵敏度和迟滞性能的差异主要是由于湿敏材料特性及结构特征导致的，体现在材料种类、孔隙率、缺陷态数量、表面形态等方面[31]。 电阻型湿度传感器的灵敏度通常用敏感电流或者电阻的比值来表示：

其中I 与I0分别代表目标检测湿度氛围与初始湿度下的电流，ΔR 和ΔHR分别为阻值变化量与相对湿度（%RH）变化量。在电极上固定测试电压后，湿敏元件电导率始终正比于湿度，电阻型湿度传感器的灵敏度与材料的结构和化学性质密切相关。 研究显示低维和多孔结构的纳米材料具有较高的感湿灵敏度。 利用机械剥离和离心等工艺制备出的黑磷量子点具有很高的比表面积，在（15～90）%RH 的湿度范围内，旋涂黑磷量子点薄膜的叉指电极阻值得到极大的降低[32]。 采用溶胶凝胶法合成的聚苯胺/ 聚乙烯醇多孔纤维材料，在(25～90)%RH 范围内电阻检测灵敏度高达12.6 kΩ/(%RH)[33]。 利用表面活性剂掺杂后的CeO2具有较高的比表面积和丰富的表面活跃态， 测试显示器件阻值在(11～95)%RH 的范围内下降了5 个数量级[34]。

电阻型传感器的迟滞与灵敏度之间存在一种相互平衡的关系[31]，当材料具有多孔结构或者多表面态时，吸湿效果往往能够得到改善，但水分子与羟基等表面基团之间会形成稳定的化学键，且不均匀分布的孔隙会大量吸收水分，产生严重的迟滞现象，常用如下公式计算迟滞[35]：

其中ΔImax为吸湿与脱湿过程中湿敏电流的最大差值，FFS表示整个检测范围内湿敏电流的差值。通过调节氧化石墨烯的PH 值， 可以实现对灵敏度和迟滞的同步调整[36]。针对此问题，可以采用减小薄膜厚度或者热退火处理的方法，通过减少表面活跃态来降低迟滞效应[37-38]。

电容型湿度传感器的灵敏度常用在一定湿度范围内电容变化量与相对湿度变化量的比值表示：

电容型湿度传感器的敏感响应与介电材料和水分子吸附有关[38]。 基于二维黑磷材料的叉指电容湿度传感器在45%RH 以上的高湿环境中具有10 pF/(%RH)的灵敏度，但是对低于45%RH 的湿度检测灵敏度只有0.2 pF/(%RH)[39]。 MARSHALL 等制备了一款(20～90)%RH 范围内灵敏度高达17.57 pF/(%RH)的平板电极型传感器，该传感器的铝电极具有规则的孔阵列， 这大大提升了水分子与聚酰亚胺的接触面积，但在低湿下灵敏度只有0.89 pF/(%RH)[40]。除了聚合物介质，金属氧化物也存在低湿灵敏度低的问题[41]，不管是通过阳极氧化Ti 获得海绵结构的TiO2[42]，还是结合Ca、Mg、Fe、Ti 4 种金属元素的氧化物陶瓷材料[20]，两者仍然存在全湿度范围内灵敏度不均匀的缺点，因此一些关于陶瓷类孔隙分布、聚合物交联和离子掺杂的研究被提出用来改善低湿响应[43]。 现阶段对于提高电容型传感器灵敏度的研究仍然需要从材料的制备与改性的角度展开，除此之外，测试交流电压的频率也影响着极性材料介电参数的湿敏特性，因此测试电压和选频的调整也可以作为提升灵敏度的方法。

4 纳米湿敏材料在湿度传感器中的应用

纳米材料凭借其高比表面积、低成本、高灵敏度被广泛应用于湿度传感研究[44]。 纳米材料基于维度可以分为零、一、二维以及混合型4 类，主要制备方法有液相剥离、化学气相沉积、静电纺丝、溶胶凝胶、热溶液法等[45]，不同维度的纳米材料彼此结构上的不同决定了湿敏特性的差异。

4.1 零维纳米湿敏材料

零维材料的代表性结构为量子点。 通过在纯水环境下磁力搅拌石墨烯溶液，经过离心去除掉较大的晶体颗粒，可以得到平均直径为5 nm 的碳量子点[22]，并利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)验证了量子点表面羰基和羟基团的存在，在(7～43)%RH 的湿度范围内测得反应和恢复时间分别为25 s、60 s；PAWBAKE 等利用化学气相沉积法在石英衬底上生长出直径为20 nm 的WS2颗粒，在(11～97)%RH 内阻值变化了4.69 倍[46]，但是该方法采用了有毒的硫化氢，而且反应过程中生成的氢气危险性较高。 相比于传统的石墨烯传感器，石墨烯量子点可以组成感湿网络，在相同的条件下测得的电流-湿度变化率大于石墨烯材料[47]，同时石墨烯量子点在（0～40）%RH 低湿环境下具有较高的电导率，这保证了低湿环境下的检测灵敏度，当测试环境温度在80～200 K 的低温区间内递减时，敏感材料的电子活化能降低导致器件的电导率下降，因而选择室温作为测试环境[48]。尽管零维纳米材料感湿灵敏度很高，但由于其性质不稳定，在湿度环境中测试值容易发生老化漂移[22]。

4.2 一维纳米湿敏材料

一维纳米感湿材料包括碳纳米管、 有机纤维、金属氧化物、无机金属盐以及钙钛矿结构的化合物等[49-53]，相比零维量子点，一维纳米材料具有更高的化学稳定性和机械韧性[54-55]。袁娇等采用碳纳米管作为导电填料掺杂水泥，通过电化学阻抗谱测得在含水率为0.6%～6%的区间内电阻率变化了87%[49]， 测试结果还显示在25～55 ℃的区间内，电阻率与温度呈现出高度线性的正比关系，温度的上升使得敏感材料的载流子浓度增加，电导率增加，在为纳米湿敏传感器在建材湿度检测领域的应用提供了参考依据。 青岛大学相关研究组通过BaTiO3前驱体的静电纺丝和高温煅烧工艺，制备了具有高比表面积的多孔BaTiO3纤维，室温下器件的反应与恢复速度快至0.7 s 和0.4 s[7]。 哈尔滨工业大学研究组制备了一款集成加热器的二氧化钛纳米管阵列薄膜（TNA）传感器，该器件的电阻和电容均具有一定的湿敏效果。 由于敏感材料的热膨胀特性以及温度对材料表面态和水分子吸脱作用的影响，电阻和电容在22～45 ℃范围内随温度的上升而增加，器件灵敏度存在一定的温度相关性[42]。 研究人员对其他金属氧化物半导体材料如SnO2[5]和ZnO[56]等也进行了相似的研究，充分展现了一维纳米材料的高比表面积和稳定的物理化学性质在湿度检测方面的优势[56]。

4.3 二维纳米湿敏材料

现阶段研究较多的二维湿敏材料是石墨烯家族、黑磷、金属氧化物以及过渡金属的卤化物等[15]，制备方法一般分为自顶向下和自底向上两种[58]。 自顶向下方法的典型代表方案为液相剥离技术[59]，ZHAO 等利用氧化石墨烯制备出一款反应时间6 s、 最大迟滞为5%RH 的湿敏电容， 由于制备过程中采用较低温度（50 ℃）加热氧化石墨烯并抑制了含氧官能团的分解，器件的感湿特性得到保障；LEONARDI 等在叔丁醇溶液中以WS2完整晶体块作为原材料，剥离制备出WS2分散液并沉积于银电极上[2]，测试表明在（8～85）%RH的湿度范围内阻值变化了3 个数量级， 具有较高的灵敏度。 自底向上的代表性技术为化学气相沉积法，可以用于垂直生长ReS2的二维纳米阵列[60]，将材料喷涂于陶瓷衬底的金电极之间制备出湿度传感器，测得其迟滞小于1.5%RH。二维材料具有较高的比表面积，层内分子的稳定性高且富含表面态，其在湿敏领域得到了日益广泛的应用[36,61]。YASAEI 等制备了一款二维黑磷薄膜湿度传感器，虽然测试发现在20～50 ℃范围内相对湿度随着温度成反比关系，但是黑磷量子点薄膜的电流几乎没有变化[8]，器件具有较高的温度稳定性。

4.4 混合型纳米湿敏材料

单维度的纳米材料往往存在迟滞、稳定性差等一系列问题，这一般是由于表面态或者晶体结构的缺陷引起的[18,44]。具有较高比表面积和孔隙率的多维度混合材料，或者增加多表面态修饰，可以为电子或离子的传输、水分子的吸附游离提供新的路径[6,61]，进而有效改善单一维度纳米湿敏材料的感湿特性。

电学纳米湿度传感器性能比较如表1 所示。 碳纳米管（CNT）作为一维材料虽然拥有较高的比表面积和稳定的电化学特性，但是在水溶液中容易形成团簇，而且存在渗流阈值引起的敏感度漂移问题；而纳米纤维素(NFC)拥有丰富的羟基官能团，本质上是疏水甚至绝缘的，无法单独直接应用于湿度传感器[54]。 将上述2种材料混合，即在CNT 水溶液中掺杂微量NFC，可以有效抑制CNT 聚集[4]。 经聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜真空抽滤分散液得到的NFC/CNT 湿敏电阻薄膜， 测试阻值在95%RH 环境下变化了64%。

针对聚合物导电性不足的问题，SHEVATE 等在PS-b-P4VP 的多孔网状薄膜中掺杂填充了CNT，观察到掺杂后的薄膜均匀一致且无缺陷，经过金电极与薄膜之间的欧姆测试发现在（10～95）%RH 湿度范围内，反应时间低至0.3 s 且阻值下降为原来的1/820[62]，值得注意的是，当测试温度从25 ℃切换至50 ℃时，多孔聚物薄膜的吸水能力不同并开始呈现出负温度特性，这为实现材料的感湿灵敏度和湿滞之间的平衡提供了新的思路。

表1 电学纳米湿度传感器性能比较

5 湿度传感器的封装与检测电路

对湿度传感器元件进行封装可以增强器件在恶劣环境下工作的可靠性， 延长使用寿命。 湿度传感器由于其工作原理的限制，应采取非密封封装形式，即要求封装管壳留有和外界连通的接触孔或者接触窗，让湿敏芯片感湿部分和空气中的湿气能够很好地接触[63]。

5.1 湿度传感器的封装技术

对于在恶劣工况下使用的湿度传感器，需要采取一些保护措施防止湿敏芯片被空气中的灰尘或杂质沾污，目前，主要手段是使用金属防尘罩或聚合物多孔膜进行保护[64]。 侯明高公开了一种湿度传感器的封装结构设计[65]，该设计通过在多孔封装罩内湿敏探头的上表面设载灰镜承接灰尘减少湿敏探头上的落灰量，延长湿度传感器的正常使用时长，还可检测载灰镜上的落灰程度，得知封装罩内受污染程度，及时进行维护保养。 该设计适用于气象站、工农业生产等应用场景。芬兰Vaisala 公司生产了一种被应用于火星科学实验室环境监测站的湿度传感器[66]，该设计将传感器电子元件与湿敏元件放置在36 mm×15 mm 的单层PCB上， 并由一个金属法拉第笼保护。 法拉第笼上开孔以允许充分的通风，聚四氟乙烯（PTFE）过滤材料覆盖这些孔，以保护湿敏元件不受沙尘的影响。

湿度传感器也广泛应用于智能家电、医疗监测和电子皮肤等方向，因此，在封装时应考虑微型化、智能化以及透气性、可穿戴性。 瑞士Sensirion 公司推出的SHT3x 系列温湿度传感器采用DFN 封装[67]，其尺寸为2.5 mm×2.5 mm×0.9 mm，这种微型化的尺寸使其易于集成到例如空调、冰箱、空气净化器等各种应用中。 东南大学李宝烨等人介绍了一种温湿度传感器集成系统的封装设计[68]，其集成系统包含了电容式湿度传感器、 铂电阻温度传感器、PCap02 电容读取芯片以及配套外围电路，该设计的封装管壳选择一种耐高温的液晶聚合物LCP 塑料，管壳顶部有3 个透气窗口，不仅实现芯片保护还提供了机械支撑，可应用于消费类电子产品。 YANG 等制作了一种智能可穿戴柔性湿度传感器[69]，该设计使用柔性PET 材料作为传感器衬底，具有耐弯折、可穿戴的优点，并使用3D 打印技术制作了手臂腕带，将柔性湿度传感器置入留有开孔的手臂腕带。 该类传感器可用于实时监测人体皮肤水分蒸发情况，在医疗健康监测和智能穿戴系统方面具有广阔的应用前景。

5.2 湿度传感器检测电路

电阻湿敏元件将湿度的变化转为电阻值的变化，为了精确识别电阻值变化量， 输出高精度数字信号，就需要为湿敏元件搭配电阻读取检测电路，通过信号处理将其转换为容易测量的电压、 频率或电流信号。电阻湿度传感器利用感湿材料电阻率/电导率的变化来检测环境湿度的变化，常用的检测电路是使用惠斯通电桥将电阻变化转为电压信号的变化[27]，再配合高精度低噪声的模数转换器（ADC）输出数字信号。 HU等研制了集成片上电路的纳米TiO2电阻式湿度传感器，如图4 所示，集成微传感器芯片由湿度传感器和读出电路组成[70]。 该湿度传感器由叉指电极和湿敏电阻薄膜组成，该方案采用电阻分压法将传感器的电阻变化转为输出电压的变化，经测试，当湿度从30%RH 升至90%RH 时，输出电压由2.27 V 降至2.05 V，线性度良好。

图4 惠斯通电桥式湿敏电阻读出电路[70]

电容湿敏元件输出信号是电容的变化量，无法直接作为输出信号，同时微小的电容变化量容易被各种噪声信号所淹没， 为了将这些变化量准确地读出，需要配以电容读取检测电路。 电容式湿度传感器主要由湿敏电容、电容数字转换器(CDC)和数字信号处理器(DSP)构成。电容式传感器的信号读出方式一般分为电容信号转换为频率信号读出、电容信号转换为电压信号读出等。 电容/频率转换电路通常采用可变振荡器的方法实现， 电容/电压转换通常采用开关电容电路原理实现。 齐元采用差分式开关电容电路设计了湿度传感器的信号读出电路，包括电容、CMOS 开关、两级运算放大器电路[71]。 该读出电路中感湿电容大小变化范围为4～5.5 pF，输出电压有1.5 V 的幅值转变，读出电路转换分辨率1 mV/fF， 实现了对微小感湿电容的检测。秦浩教授等使用了电容/频率转换电路，当湿度变化时，振荡电路频率随湿敏电容值发生改变，而基准电容形成的振荡电路频率保持不变， 微处理器(MCU)通过计算两路信号的频率差值实现电容信号的转换，经单片机采集运算后形成数字信号输出[72]。该设计选取温度系数相同或相近的基准电容和电阻，有效补偿了传感器的温度系数，测试结果表明该湿度传感器可在低温和高湿环境下稳定工作。

6 结束语

本文阐述了近年来电学湿度传感器领域的研究状况和成果，主要从湿度传感器原件的敏感材料和配套的封装电路方案2 个层面展开论述， 总结了重要的敏感性能参数优化成果，分析了灵敏度、迟滞等湿度检测参数的影响因素。 在详细探讨了湿度检测机理与敏感材料关系的基础上，对不同种类和纳米结构的湿敏材料研究进行了阐述。 此外，文章总结了现阶段电学湿度传感器的主流封装工艺与检测电路设计，为实现和提升器件的精准性、长期可靠性和稳定性提供了思路。 作为湿敏介质的纳米材料虽然具有优异的感湿特性，但仍需解决制备工艺复杂、均一性差、性质不稳定等问题，以实现湿度传感器灵敏度、迟滞、反应时间等参数性能的进一步提升。