濕敏元件百科知識(shí)

shimin yuanjian
濕敏元件
moisture sensitive element

利用濕敏材料對(duì)水分子的吸附能力或?qū)λ肿赢a(chǎn)生物理效應(yīng)的方法測(cè)量濕度的元件。有關(guān)濕度測(cè)量，早在16世紀(jì)就有記載。許多古老的測(cè)量方法，如干濕球溫度計(jì)、毛發(fā)濕度計(jì)和露點(diǎn)計(jì)等至今仍被廣泛采用。現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)要求高精度、高可靠和連續(xù)地測(cè)量濕度，因而陸續(xù)出現(xiàn)了種類繁多的濕敏元件。
分類 濕敏元件主要分為二大類：水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩，易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如，利用水分子附著或浸入某些物質(zhì)后,其電氣性能(電阻值、介電常數(shù)等)發(fā)生變化的特性可制成電阻式濕敏元件、電容式濕敏元件；利用水分子附著后引起材料長(zhǎng)度變化，可制成尺寸變化式濕敏元件，如毛發(fā)濕度計(jì)。金屬氧化物是離子型結(jié)合物質(zhì)，有較強(qiáng)的吸水性能，不僅有物理吸附,而且有化學(xué)吸附,可制成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在應(yīng)用時(shí)附著或浸入被測(cè)的水蒸氣分子，與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化物，或一經(jīng)浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重復(fù)使用時(shí)元件的特性不穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)有較大的滯后誤差和較慢的反應(yīng)速度。目前應(yīng)用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產(chǎn)生的物理效應(yīng)來測(cè)量濕度。例如，利用熱力學(xué)方法測(cè)量的熱敏電阻式濕度傳感器，利用水蒸氣能吸收某波長(zhǎng)段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。圖1 濕敏元件的分類是濕敏元件的分類。
電解質(zhì)濕敏元件 利用潮解性鹽類受潮后電阻發(fā)生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質(zhì)氯化鋰(LiCl)。從1938年頓蒙發(fā)明這種元件以來，在較長(zhǎng)的使用實(shí)踐中，對(duì)氯化鋰的載體及元件尺寸作了許多改進(jìn)，提高了響應(yīng)速度和擴(kuò)大測(cè)濕范圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基于濕度變化能引起電介質(zhì)離子導(dǎo)電狀態(tài)的改變，使電阻值發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極，然后把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地涂在圓筒表面上制成，測(cè)濕范圍約為相對(duì)濕度30％。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡制成的。植物的髓脈具有細(xì)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件，采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無堿玻璃基板（孔徑平均500埃）,可制成測(cè)濕范圍為相對(duì)濕度20～80％的元件。
氯化鋰元件具有滯后誤差較小，不受測(cè)試環(huán)境的風(fēng)速影響，不影響和破壞被測(cè)濕度環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但因其基本原理是利用潮解鹽的濕敏特性，經(jīng)反復(fù)吸濕、脫濕后，會(huì)引起電解質(zhì)膜變形和性能變劣，尤其遇到高濕及結(jié)露環(huán)境時(shí)，會(huì)造成電解質(zhì)潮解而流失，導(dǎo)至元件損壞。
高分子材料濕敏元件 利用有機(jī)高分子材料的吸濕性能與膨潤(rùn)性能制成的濕敏元件。吸濕后，介電常數(shù)發(fā)生明顯變化的高分子電介質(zhì)，可做成電容式濕敏元件。吸濕后電阻值改變的高分子材料，可做成電阻變化式濕敏元件。圖2 高分子薄膜介質(zhì)電容式濕敏元件結(jié)構(gòu)是高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕敏元件的基本結(jié)構(gòu)。常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄,一般約5000埃,使元件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差,響應(yīng)速度快。這種濕敏元件的缺點(diǎn)是不宜用于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境，元件也不能耐80℃以上的高溫。
金屬氧化物膜濕敏元件 許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強(qiáng)的吸脫水性能，將它們制成燒結(jié)薄或涂布薄膜可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進(jìn)行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質(zhì)的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕范圍測(cè)濕的時(shí)間響應(yīng)速度較快，滯后誤差小，常用于高空氣球上測(cè)濕。四氧化三鐵膠體的優(yōu)點(diǎn)是固有電阻低，長(zhǎng)期置于大氣環(huán)境表面狀態(tài)不會(huì)變化，膠體粒子間相互吸引粘結(jié)緊密等。它是一種價(jià)廉物美，較早投入批量生產(chǎn)的濕敏元件，在濕度測(cè)量和濕度控制方面都有大量應(yīng)用。
金屬氧化物陶瓷濕敏元件 將極其微細(xì)的金屬氧化物顆粒在高溫1300℃下燒結(jié)，可制成多孔體的金屬氧化物陶瓷，在這種多孔體表面加上電極，引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時(shí)必須裸露于測(cè)試環(huán)境中，故油垢、塵土和有害于元件的物質(zhì)(氣、固體)都會(huì)使其物理吸附和化學(xué)吸附性能發(fā)生變化，引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結(jié)體物理和化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，可以用加熱去污方法恢復(fù)元件的濕敏特性，而且燒結(jié)體的表面結(jié)構(gòu)極大地?cái)U(kuò)展元件表面與水蒸氣的接觸面積，使水蒸氣易于吸著和脫去，還可通過控制元件的細(xì)微構(gòu)造使物理性吸附占主導(dǎo)地位，獲得最佳的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長(zhǎng)、元件特性穩(wěn)定，是目前最有可能成為工程應(yīng)用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0～160℃。
在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中，由鉻酸鎂－二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內(nèi)隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進(jìn)行反復(fù)的熱清洗，性能仍保持不變。圖3鉻酸鎂-二氧化鈦陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)為這種陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)。
熱敏電阻式濕度傳感器 利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻R1和R2,電源供給的電流使R1、R2保持在200℃左右的溫度（圖4 熱敏電阻式濕度傳感器原理）。其中R2裝在密封的金屬盒內(nèi)，內(nèi)部封裝著干燥空氣，R1置于與大氣相接觸的開孔金屬盒內(nèi)。將R1先置于干燥空氣中，調(diào)節(jié)電橋平衡，使輸出端A、B間電壓為零，當(dāng)R1接觸待測(cè)含濕空氣時(shí)，含濕空氣與干燥空氣產(chǎn)生熱傳導(dǎo)差，使R1受冷卻，電阻值增高，A、B間產(chǎn)生輸出電壓，其值與濕度變化有關(guān)。熱敏電阻式濕敏傳感器的輸出電壓與絕對(duì)濕度成比例，因而可用于測(cè)量大氣的絕對(duì)濕度。傳感器是利用濕度與大氣導(dǎo)熱率之間的關(guān)系作為測(cè)量原理的，當(dāng)大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)有程度不同的影響。此外，熱敏電阻的位置對(duì)測(cè)量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩(wěn)定性和不必特殊維護(hù)等方面來看，很有特色，現(xiàn)已用于空調(diào)機(jī)濕度控制，或制成便攜式絕對(duì)濕度表、直讀式露點(diǎn)計(jì)、相對(duì)濕度計(jì)、水分計(jì)等。
紅外線吸收式濕度傳感器 利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線制成的濕度傳感器。60年代中期，美國氣象局以波長(zhǎng)為1.37微米和1.25微米的紅外光分別作敏感光束和參考光束，研制成紅外線吸收式濕度傳感器。這種傳感器采用裝有□□濾光片和□ 濾光片的旋轉(zhuǎn)濾光片，當(dāng)光源通過旋轉(zhuǎn)濾光片時(shí)，輪流地選擇波長(zhǎng)為□□和□ 的紅外光束,兩條光束通過被測(cè)濕度的樣氣抵達(dá)光敏元件,由于波長(zhǎng)為□□的光束不被水蒸氣吸收，其光強(qiáng)仍為I0，波長(zhǎng)為□ 的光束被水蒸氣部分吸收，光強(qiáng)衰減為I（圖5紅外線吸收式濕度傳感器原理）。采用朗伯－貝爾法測(cè)量：
□式中I0為光源光強(qiáng)度，I為光敏元件處的光強(qiáng)度，□為吸收系數(shù),□為待測(cè)含水蒸氣的濃度,□為光路長(zhǎng)度。根據(jù)光強(qiáng)度的變化，將光敏元件上的信號(hào)處理后可獲得正比于水蒸氣濃度 □的電信號(hào)。紅外線吸收式濕度傳感器屬非水分子親和力型濕敏元件，測(cè)量精度和靈敏度較高，能夠測(cè)量高溫或密封場(chǎng)所的氣體濕度，也能解決其他濕度傳感器不能解決的
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