第三章5(湿敏陶瓷).pptx

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第三章敏感陶瓷,中国地质大学（武汉）材料与化学学院,第六节湿敏陶瓷公衍生,3.6湿敏陶瓷,一.概述二.湿敏陶瓷的基本特性三.湿敏陶瓷传感器四.湿敏特性原理五.湿敏陶瓷传感器的应用,3.6.1概述,71/3,各种物质表面都要和空气接触，表面吸附着水分，水分透过物质的微孔与物质内部的水分保持平衡。

人体有可能因空气过分干燥而失水，造成皮肤干裂，干渴难忍，也有可能因过分潮湿而引起各种疾病。

食品、纸张、烟草、机器、武器、弹药、药品等都有可能因潮湿而霉坏、变质或失去原有的性能。

因此，人类很早就十分重视湿度的测量和控制。

1.气体的湿度气体的湿度是指大气中水蒸气的含量。

湿度有多种表示法，一般常用相对湿度表示。

相对湿度为某一待测蒸汽压与相同温度下的饱和蒸汽压比值的百分数，用RH表示。

常用的几种湿度量和单位见下表。

71/4,湿度的概念和检测方法,常用湿度量的种类,71/5,露点（温度）,71/6,在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度。

2.固体的湿度固体的湿度是物质中所含水分的百分数。

物质中所含水分的质量与干物质质量之比，称为含水量。

物质中所含水分的质量与其总质量之比，称为湿度。

71/7,湿度检测的方法可分为四类：

毛发湿度计法、干湿球湿度计法、露点计法、阻容式湿度计法。

其中干湿球湿度计与露点计的时效小，可用于高精度测量，但其体积大，响应速度低，无电信号，不能用于遥测及湿度自动控制。

阻容式湿度传感器体积小，响应速度快，便于把湿度转换为电信号，但稳定性差，不耐SO2的腐蚀。

71/8,3.湿度检测方法分类,3.6.2湿敏陶瓷传感器,71/9,随着现代工业技术的发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了高精度高可靠性测量和控制湿度的要求。

因此，各种湿敏元件不断出现。

利用湿敏电阻进行湿度测量和控制具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测和集中控制等优点。

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;2:

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：

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