金路 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

0 引言

濕度是用來表征空氣中含水量的一個物理量。隨著社會的進步，濕度的檢測和控制愈來愈重要。濕度傳感器是將水蒸氣的量轉(zhuǎn)換成可以測量的量的器件，它已被廣泛地應(yīng)用在藥物儲存、動物養(yǎng)殖、溫室大棚、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1-3]。研究人員已根據(jù)不同工作原理制備了相應(yīng)的濕度傳感器，但理想的濕度傳感器應(yīng)該具有高靈敏度、長期穩(wěn)定性、響應(yīng)時間短、價格低及能在較大濕度和溫度范圍內(nèi)工作的特點。本文對當(dāng)前濕度傳感領(lǐng)域的最新研究進展進行綜述，首先介紹濕度傳感器的相關(guān)知識，之后介紹目前國內(nèi)外濕度傳感器的應(yīng)用發(fā)展，并對未來濕度傳感器的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 濕度

眾所周知，水依據(jù)周圍不同的溫度和壓力存在3種不同的形態(tài)，即冰、液和氣態(tài)相，表1給出了水分子的一些性質(zhì)?？諝庵锌偸呛幸欢ǖ乃?，空氣中水汽的含量用濕度表示。濕度涉及氣態(tài)形式的水，而水分是指液體形式中的水，因此，濕度大小服從氣體定律。

表1 水分子性質(zhì)

濕度在表示方式上有絕對濕度和相對濕度兩種。絕對濕度指在壓力和溫度的影響下，單位體積中待測氣體水蒸氣的質(zhì)量，也就是水蒸氣密度，數(shù)學(xué)表達式為

式中：MV—— 待測氣體水蒸氣的質(zhì)量，g；

V—— 待測氣體的總體積，m3；

Ha—— 待測氣體的絕對濕度，g/m3

相對濕度：指待測氣體水蒸氣壓和溫度相同的情況下水的飽和蒸氣壓兩者比值百分?jǐn)?shù)，數(shù)學(xué)表達式為

式中：pV—— 待測氣體水蒸氣壓，Pa；

pw—— 溫度相同情況下水的飽和蒸氣壓，Pa；

RH—— 相對濕度，%RH

若溫度及壓力發(fā)生變化，則水的飽和蒸氣壓也發(fā)生變化，即使氣體中水蒸氣氣壓相同，其相對濕度也會變化。表2給出了表征濕度傳感器特性的常用參數(shù)。

表2 濕度傳感器特性的常用參數(shù)

2 濕度傳感器的發(fā)展

毛發(fā)式濕度計是最早的濕度計量工具，歐洲文藝復(fù)興時期達芬奇用人的頭發(fā)或者羊毛作為材料。毛發(fā)式濕度計在濕度計量歷史上發(fā)揮了很大的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們利用材料本身電氣特征制造出濕度傳感器。這種濕度傳感器利用電解質(zhì)，通過電阻值的變化來監(jiān)測濕度。其監(jiān)測范圍較小，想要測定的濕度范圍比較寬時需要選擇多個傳感器，并且傳感器的特性也各不相同。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始分析怎樣利用半導(dǎo)體材料制作濕度傳感器，并研制出由幾種材料構(gòu)成的傳感器，如陶瓷金屬氧化物傳感器。測試時，使用含金屬氧化物厚膜硅膠或者膠體涂印的傳感器，并且利用減小膠體電阻的辦法提高響應(yīng)速度[4-5]。

3 濕度傳感器的分類

濕度傳感器按照信號轉(zhuǎn)換方式分類,主要有電學(xué)式、聲學(xué)式、光學(xué)式等，其中電學(xué)式中的電容型和電阻型濕度傳感器具有成本低、體積小、設(shè)計簡單、工藝靈活等優(yōu)勢，不足之處為需要定期校準(zhǔn)、測試小于5%RH的濕度困難、線性關(guān)系不佳和相對長的響應(yīng)時間，而且不易在極端環(huán)境、偏遠地區(qū)、有電磁干擾區(qū)域中使用。目前，電學(xué)式濕度傳感器在濕度傳感器市場占據(jù)著較大的市場份額[6-10]。

電容型濕度傳感器主要由檢測電極和濕敏介質(zhì)組成,其中電極有雙層平板或單層指狀電容兩種類型，濕敏材料涂覆于平板電極間或叉指電極上以實現(xiàn)感濕。電容型濕度傳感器的感濕特性體現(xiàn)在電容值與濕度值的線性關(guān)系上,而電容值主要由不同濕度下材料的介電常數(shù)特性變化決定?？刹捎胠ooyenga半經(jīng)驗公式預(yù)測濕敏薄膜的介電常數(shù)ε隨濕度的變化。通常使用的敏感層材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等高分子材料，電極為叉指電極,可增加水蒸氣與敏感層表面的相互作用。電容傳感器具有響應(yīng)快、線性度高、濕滯低以及長期穩(wěn)定性好等特點。近年來，鑒于CMOS- MEMS、納米技術(shù)和電容技術(shù)的新一代濕度傳感器已問世，新的器件響應(yīng)時間更短，與通常使用的器件相比，其響應(yīng)時間大約減少90%以上。

與電容傳感器相比，目前，對電阻傳感器的研究主要集中在促進其敏感性、響應(yīng)時間、線性關(guān)系和濕滯性質(zhì)方面。電阻型濕度傳感器由濕敏電阻材料和導(dǎo)電電極組成，一般采用金屬半導(dǎo)體氧化物、鈣鈦礦陶瓷、納米有機纖維和石墨烯等作為感濕材料。利用旋涂、離子浸潤滴涂等方法將其置于電極表面或測試電極上方，根據(jù)不同濕度下電導(dǎo)率的規(guī)律性變化測得環(huán)境濕度。

電容式或電阻式濕度傳感器的測試值往往受環(huán)境溫度變化的影響。首先，對于電容式濕度傳感器，一定頻率下濕敏材料和凝結(jié)水的電荷或離子的極化受溫度影響，因此，濕度檢測時的電容值也會被環(huán)境溫度變化所干擾。其次，電阻式濕度傳感器濕敏介質(zhì)內(nèi)部的載流子遷移率、水分子脫附速率等也受溫度影響，進而導(dǎo)致測得的電阻值發(fā)生變化。應(yīng)用在實際環(huán)境中，溫度的變化會導(dǎo)致濕度傳感器測試結(jié)果產(chǎn)生線性漂移，造成一定程度的計量誤差。同時，電容式或電阻式濕度傳感器的典型響應(yīng)時間在5～60 s，雖然適合于多數(shù)情況，但在特殊領(lǐng)域（如作為呼吸傳感器)，這個響應(yīng)時間過長。此外，它的準(zhǔn)確度僅為百分之幾相對濕度，當(dāng)在相對濕度0%～10%和90%～100%的極端范圍下使用，準(zhǔn)確度會更低。器件還存在較高的濕滯現(xiàn)象，濕度增大或減小時會明顯影響器件的輸出。最高工作溫度通常在80～120 ℃時無法滿足部分工業(yè)烘干方面的應(yīng)用要求。電學(xué)式濕度傳感器特性如表3所示。

表3 市場上電學(xué)式濕度傳感器特性

聲學(xué)式濕度傳感器是根據(jù)聲學(xué)信號隨濕度變化而變化的性質(zhì)制作的。目前，主要利用表面波、石英晶體微天平和體聲波特性，采用聲學(xué)方法測量濕度可歸于機械方法。水分子吸附在親水材料上時，機械性質(zhì)會發(fā)生變化。由于材料吸收周圍水蒸氣會引起密度的變化，而材料密度的變化又會使通過它的聲波頻率發(fā)生變化。聲學(xué)式濕度傳感器特性如表4所示。

表4 市場上聲學(xué)式濕度傳感器特性

光學(xué)式濕度傳感器是根據(jù)濕度的變化引起媒介層性質(zhì)的變化，進而使光傳播性質(zhì)(吸收、反射系數(shù)、頻率等)發(fā)生變化的原理制作的，研究較多的主要有光纖濕度傳感器和干涉測量濕度傳感器。光學(xué)式濕度傳感器具有體積小、響應(yīng)快、抗電磁干擾等優(yōu)點，使光學(xué)濕度傳感器能應(yīng)用在電學(xué)濕度傳感器和聲學(xué)濕度傳感器不能應(yīng)用或不適合應(yīng)用的場合，如光纖傳感器應(yīng)用在微波爐內(nèi)部，用來檢測溫度和濕度參數(shù)。由于光學(xué)傳感器不需要電動力，因此，可用來檢測易燃的液體和氣體，并且可在惡劣的環(huán)境下(如腐蝕性物質(zhì)中)使用。光學(xué)式濕度傳感器特性如表5所示。

表5 市場上的光學(xué)式濕度傳感器特性

4 結(jié)語

本文對當(dāng)前電子、聲學(xué)和光學(xué)濕度傳感器的研究進行了全面綜述。目前低價格的濕度傳感器仍以電容濕度傳感器和電阻濕度傳感器為主，在過去十多年研究中，電子類濕度器件的性能已有了很大提高，有望實現(xiàn)與溫度及其他傳感器的集成。在不同類型濕度傳感器中，通過厚膜和薄膜沉積技術(shù)制備的半導(dǎo)體金屬氧化物和金屬氧化物/聚合物基傳感器受到關(guān)注。與聚合物基薄膜或厚膜濕度傳感器比較，陶瓷的合成過程簡單，并且具有響應(yīng)時間短的特性，但與聚合物材料相比，其制備的濕度傳感器成本較高。

近年來的研究結(jié)果顯示，通過納米技術(shù)獲得的濕度傳感器在準(zhǔn)確度、重復(fù)性和經(jīng)濟效益等方面都具有優(yōu)勢，然而將其應(yīng)用在實際環(huán)境下，如何提高傳感器性能，仍具有挑戰(zhàn)。縱觀濕度傳感器的設(shè)計進程，納米復(fù)合陶瓷和陶瓷/聚合物將為最有前途的材料之一，并且在愈來愈多的應(yīng)用場合下，由光子晶體制作的濕度傳感器將取代或補充電子濕度傳感器。