湿度传感器的应用

金路 / 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

湿度是用来表征空气中含水量的一个物理量。随着社会的进步，湿度的检测和控制愈来愈重要。湿度传感器是将水蒸气的量转换成可以测量的量的器件，它已被广泛地应用在药物储存、动物养殖、温室大棚、工业生产等领域[1-3]。研究人员已根据不同工作原理制备了相应的湿度传感器，但理想的湿度传感器应该具有高灵敏度、长期稳定性、响应时间短、价格低及能在较大湿度和温度范围内工作的特点。本文对当前湿度传感领域的最新研究进展进行综述，首先介绍湿度传感器的相关知识，之后介绍目前国内外湿度传感器的应用发展，并对未来湿度传感器的发展趋势进行了展望。

1 湿度

众所周知，水依据周围不同的温度和压力存在3种不同的形态，即冰、液和气态相，表1给出了水分子的一些性质。空气中总是含有一定的水汽，空气中水汽的含量用湿度表示。湿度涉及气态形式的水，而水分是指液体形式中的水，因此，湿度大小服从气体定律。

表1 水分子性质

湿度在表示方式上有绝对湿度和相对湿度两种。绝对湿度指在压力和温度的影响下，单位体积中待测气体水蒸气的质量，也就是水蒸气密度，数学表达式为

式中：MV—— 待测气体水蒸气的质量，g；

V—— 待测气体的总体积，m3；

Ha—— 待测气体的绝对湿度，g/m3

相对湿度：指待测气体水蒸气压和温度相同的情况下水的饱和蒸气压两者比值百分数，数学表达式为

式中：pV—— 待测气体水蒸气压，Pa；

pw—— 温度相同情况下水的饱和蒸气压，Pa；

RH—— 相对湿度，%RH

若温度及压力发生变化，则水的饱和蒸气压也发生变化，即使气体中水蒸气气压相同，其相对湿度也会变化。表2给出了表征湿度传感器特性的常用参数。

表2 湿度传感器特性的常用参数

2 湿度传感器的发展

毛发式湿度计是最早的湿度计量工具，欧洲文艺复兴时期达芬奇用人的头发或者羊毛作为材料。毛发式湿度计在湿度计量历史上发挥了很大的作用。随着科学技术的发展，人们利用材料本身电气特征制造出湿度传感器。这种湿度传感器利用电解质，通过电阻值的变化来监测湿度。其监测范围较小，想要测定的湿度范围比较宽时需要选择多个传感器，并且传感器的特性也各不相同。随着半导体技术的不断发展，人们开始分析怎样利用半导体材料制作湿度传感器，并研制出由几种材料构成的传感器，如陶瓷金属氧化物传感器。测试时，使用含金属氧化物厚膜硅胶或者胶体涂印的传感器，并且利用减小胶体电阻的办法提高响应速度[4-5]。

3 湿度传感器的分类

湿度传感器按照信号转换方式分类,主要有电学式、声学式、光学式等，其中电学式中的电容型和电阻型湿度传感器具有成本低、体积小、设计简单、工艺灵活等优势，不足之处为需要定期校准、测试小于5%RH的湿度困难、线性关系不佳和相对长的响应时间，而且不易在极端环境、偏远地区、有电磁干扰区域中使用。目前，电学式湿度传感器在湿度传感器市场占据着较大的市场份额[6-10]。

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两种类型，湿敏材料涂覆于平板电极间或叉指电极上以实现感湿。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。可采用looyenga半经验公式预测湿敏薄膜的介电常数ε随湿度的变化。通常使用的敏感层材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等高分子材料，电极为叉指电极,可增加水蒸气与敏感层表面的相互作用。电容传感器具有响应快、线性度高、湿滞低以及长期稳定性好等特点。近年来，鉴于CMOS- MEMS、纳米技术和电容技术的新一代湿度传感器已问世，新的器件响应时间更短，与通常使用的器件相比，其响应时间大约减少90%以上。

与电容传感器相比，目前，对电阻传感器的研究主要集中在促进其敏感性、响应时间、线性关系和湿滞性质方面。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测得环境湿度。

电容式或电阻式湿度传感器的测试值往往受环境温度变化的影响。首先，对于电容式湿度传感器，一定频率下湿敏材料和凝结水的电荷或离子的极化受温度影响，因此，湿度检测时的电容值也会被环境温度变化所干扰。其次，电阻式湿度传感器湿敏介质内部的载流子迁移率、水分子脱附速率等也受温度影响，进而导致测得的电阻值发生变化。应用在实际环境中，温度的变化会导致湿度传感器测试结果产生线性漂移，造成一定程度的计量误差。同时，电容式或电阻式湿度传感器的典型响应时间在5～60 s，虽然适合于多数情况，但在特殊领域（如作为呼吸传感器)，这个响应时间过长。此外，它的准确度仅为百分之几相对湿度，当在相对湿度0%～10%和90%～100%的极端范围下使用，准确度会更低。器件还存在较高的湿滞现象，湿度增大或减小时会明显影响器件的输出。最高工作温度通常在80～120 ℃时无法满足部分工业烘干方面的应用要求。电学式湿度传感器特性如表3所示。

表3 市场上电学式湿度传感器特性

声学式湿度传感器是根据声学信号随湿度变化而变化的性质制作的。目前，主要利用表面波、石英晶体微天平和体声波特性，采用声学方法测量湿度可归于机械方法。水分子吸附在亲水材料上时，机械性质会发生变化。由于材料吸收周围水蒸气会引起密度的变化，而材料密度的变化又会使通过它的声波频率发生变化。声学式湿度传感器特性如表4所示。

表4 市场上声学式湿度传感器特性

光学式湿度传感器是根据湿度的变化引起媒介层性质的变化，进而使光传播性质(吸收、反射系数、频率等)发生变化的原理制作的，研究较多的主要有光纤湿度传感器和干涉测量湿度传感器。光学式湿度传感器具有体积小、响应快、抗电磁干扰等优点，使光学湿度传感器能应用在电学湿度传感器和声学湿度传感器不能应用或不适合应用的场合，如光纤传感器应用在微波炉内部，用来检测温度和湿度参数。由于光学传感器不需要电动力，因此，可用来检测易燃的液体和气体，并且可在恶劣的环境下(如腐蚀性物质中)使用。光学式湿度传感器特性如表5所示。

表5 市场上的光学式湿度传感器特性

4 结语

本文对当前电子、声学和光学湿度传感器的研究进行了全面综述。目前低价格的湿度传感器仍以电容湿度传感器和电阻湿度传感器为主，在过去十多年研究中，电子类湿度器件的性能已有了很大提高，有望实现与温度及其他传感器的集成。在不同类型湿度传感器中，通过厚膜和薄膜沉积技术制备的半导体金属氧化物和金属氧化物/聚合物基传感器受到关注。与聚合物基薄膜或厚膜湿度传感器比较，陶瓷的合成过程简单，并且具有响应时间短的特性，但与聚合物材料相比，其制备的湿度传感器成本较高。

近年来的研究结果显示，通过纳米技术获得的湿度传感器在准确度、重复性和经济效益等方面都具有优势，然而将其应用在实际环境下，如何提高传感器性能，仍具有挑战。纵观湿度传感器的设计进程，纳米复合陶瓷和陶瓷/聚合物将为最有前途的材料之一，并且在愈来愈多的应用场合下，由光子晶体制作的湿度传感器将取代或补充电子湿度传感器。