湿敏传感器综述

湿敏传感器综述

摘要： 湿度检测在社会生活与生产中占有重要的地位，湿度传感器已经深入到生产的各个方面，确保工业生产能够顺利进行。本文对湿度表示方法进行了一定的概括和总结，指出不同湿度测量方式各自的优缺点。并对电阻式湿敏传感器，陶瓷湿敏传感器，电容式湿敏传感器进行了论述，以说明其各自的特性，让使用者可以更加准确的使用湿敏传感器。最后说明hs1101湿度传感器在实际生活中的使用方法，并分析它的工作原理，最终绘出工作电路。 关键词： 湿度；湿敏传感器；湿度检测

引言： 湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，利用物质的物理效应和化学效应对气体中的水分进行检测的器件。随着社会对湿度检测和控制的要求不断增加，湿敏传感器在社会工业中占有重要的地位。相对湿度与环境关系也很大，随着人们生活水平的提高，人们对湿度的要求越来越高，所以有必要开发优质的湿度传感器。然而空气中水分子的含量很少，并且与水分子有关的问题无论在化学上还是在物理上都很复杂，所以湿度的测量比较困难。 从湿度传感器的发展史看，由电解质到有机物再到金属及氧化物半导体玻璃陶瓷、高分子化合物。从湿度传感器问世以来，每年都有不同类型的湿度传感器出现，其中主要以电阻式为主，其次是有机高分子材料，近年来半导体二极管及MOSFET式、石英振子式、表面波式光纤式等新型传感器也不断涌现。

1 湿度及其表示

湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。

1.绝对湿度

所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为

Ha=mV / V

式中，mV 为待测空气中水蒸气质量，V 为待测空气的总体积。单位为g / m3 。

2.相对湿度

相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw ）和同温度下饱和水蒸气的分压（PN ）的百分比，即

HT=（Pw / PN ) Tx100 % RH

通常，用RH ％表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。目前应用最多的是相对湿度。

3.露点温度

温度高的气体，含水蒸气越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100% ，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。 2 湿度的测量方式

湿度的测量方式有以下几种，即采用伸缩式湿度计、干湿球湿度计、露点计和阻抗式湿度计等。伸缩式湿度计是利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质，伸缩式湿度计不需要进行温度补偿，但不能转换为电信号。

阻抗式湿度计是根据湿敏传感器的阻抗值变化而求得湿度的一种湿度计，由于能简单地转变为电信号，从而可以有效的利用现代检测技术进行有效的信号处理、传输、存储，因此它是现在广泛采用的一种方法。

湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算，因而影响传感器的合理使用。

常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。

①静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。

②露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。

③双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。

④干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到

2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。

⑤电子式湿度传感器法，电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

3 湿敏传感器的种类

1.电阻式湿敏传感器

电阻式湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性随温度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。湿敏元件一般是在绝缘基底上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层湿敏物质而制成的。在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。

常用的电阻式湿敏传感器为在玻璃带上浸有氯化锂溶液的湿敏元件。它的基片材料为无

碱玻璃带。元件的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化。这种通过测定电阻，便可知道相对湿度。由于电阻与湿度的变化只在一定的湿度范围内成线性关系。为了扩大湿度测量范围，可以将几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合起来使用。

氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。

2.陶瓷湿敏传感器

陶瓷湿敏传感器是一种新型传感器。金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两类。

在离子型湿敏元件中，由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用而呈现出H+，是元件的电导率增加。这类传感器组要有两种：一种以Fe2O3及K2CO3为主要成分，另一种以ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。

电子型湿敏元件是利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变的原理制成。元件的电导率增加还是减少，取决于氧化物半导体是N型还是P型。

陶瓷湿敏传感器的优点有：耐高温，湿度滞后小，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差。

3.电容式湿敏传感器

电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度变化而变化的薄片状电容器。由吸湿性电介质材料构成的薄片状电容式湿敏传感器具有线性较好、温度系数小、响应时间快;与传统IC、半导体以及硅工艺相兼容等特点,从而受到生产者与使用者的青睐。

电容式湿度传感器结构,即电容平行板上下电极中间加一层感湿薄膜,其电极材料可为铝、金、铬等金属、感湿膜可为半导体氧化物或者高分子材料等制作而成,电极形状与感湿膜形状的不同选择使得此类电容式湿度传感器性能各异。由于高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比，但在设计和制作工艺中很难做到感湿特性全湿程线性。

电容式湿度传感器还与环境温度有关，它的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。因此要精确的测量湿度还要考虑温度对传感器的影响，必要时需要对传感器进行温度补偿。

电容式湿度传感器的优缺点：它的测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。

除电阻式、陶瓷型、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。 4 一种湿度传感器的应用

HS1101是一款电容式相对湿度传感器。该传感器可广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室、

和工业过程控制系统等，对空气湿度进行检测。与其他产品相比，有着显著的优点： ◆无需校准的完全互换性；

◆长期饱和状态，瞬间脱湿；

◆适应自动装配过程，包括波峰焊接、回流焊接等；

◆具有高可靠性和长期稳定性：

◆特有的固态聚合物结构；

◆适用于线性电压输出和线性频率输出两种电路；

特性曲线如图。测量温度T=25℃，测量时工作频率为10KHz。从特性曲线曲线图上我们可以看出，HS1101具有极好的线性输出。可以近似看成相对湿度值

与电容值成比例。因此在测量过程中，采集电容值即可。

图1：Hs1101湿度与电容曲线图 图2：hs1101湿度传感器电路图

测量原理：HS1101湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中．电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。用555集成电路组成振荡电路，HS1101湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换。

测量方法：HS1101湿敏传感器是采用侧面开放式封装，只有两个引脚．有线性电压输出和线性频率输出两种电路。在使用时，将2脚接地，这里选用频率输出电路。该传感器采用电容构成材料，不允许直流方式供电．所以我们使用555定时器电路组成单稳态电路。具体电路结构如图。

测湿电路利用一片CMOS定时器TLC555，配上HSll01和电阻R2、R4构成单稳态电路．将相对湿度值变化转换成频率信号输出。输出频率范围是7351～6033Hz，所对应的相对湿度为0～100％。当RH=55％时，f=6660Hz。输出的频率信号可送至数字频率计或控制系统，经处理后送显示。通电后．电流沿着Ucc→R4→R2→C对HSll01充电．经过t1时间后湿敏电容的电压Uc就被充电到TLC555的高触发电平，使内部比较器翻转。OUT端的输出变成低电平。然后C开始放电，放电回路为C→R2→D→内部放电管→地。经过t2时间后，Uc降到低触发电平(U1=O.33Ucc)，内部比较器再次翻转，使OUT端的输出变成高电平。这样周而复始的进行充、放电，形成了振荡。充电、放电时间计算公式分别为：t1=C(R2+R4)ln2；t2=C*R2*ln2；输出波形的频率(f)和占空比(D)的计算公式如下：

f=1/T=1/(t1+t2)=1/C(2*R2+R4)ln2;

D=t1/T=t1/(t1+t2);

湿度传感器只是保证传感探头的精度，在实际使用中，综合精度除了与湿度传感器本身

元件有关，还与外围电路的器件选择相关。为了与HS1101温度系数相匹配，R1数值应取为1％精度，且最大温漂不超过100ppm(ppm：百万分之一，表示当温度变化1℃．所对应的电阻相对变化量)。

软件设计功能：软件设计主要完成对HS1101在单位时间内的频率测量。软件设计采用端口扫描方式，间隔8S开始测量．测量时间为1S。统计单位时间内脉冲的个数，与湿度表对照，确定湿度值的范围，并将湿度值通过LCD显示。为了保证测量精度，可以取3次以上测量数据，求平均值后，作为最终送显示数据。

结语：由于HS1101采用独特的电容式单元设计，具有响应速度快、体积小、线性度好、较稳定等优点，我们将HS1101用在智能家居控制系统中，完成对空气湿度的测量，经长期应用，性能达到了稳定可靠，同时也实现了对低成本的要求。

5 总结

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能产品化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。但是目前湿度传感器在长期稳定性方面还存在一些问题，为此人们为了研制出有长期可靠性的传感器，而宁可在测量精度、湿度和温度特性、响应时间、形状和尺寸等方面作出一些牺牲。

总之，随着科学技术的发展，要求湿度传感器向微型化和集成化方向发展，同时要求传感器抗污染、长寿命，对环境湿度的控制将更加精确。因此，随着工业、农业、国防、科技及整个国民经济的迅猛发展，对环境湿度的控制和检测越来越受到人们的重视，市场需求也越来越大。

参考文献：

[1] 刘笃仁,韩保君,刘勒.传感器原理及应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社.2009.4

[2] 周旭.现代传感器技术[M].北京：国防工业出版社.2007.1

[3] 邱玉娟.运用KEILC分析HS1101湿度传感器F-RH算法[J].传感器技术.2008

[4] 宗晓萍,刘巍.无线温湿度采集系统设计[J].河北工业科技.2011.11

[5] 杨明慧,杨鹏,史旺旺.基于无线传感器网络大棚检测中温湿度节点设计[J].仪器仪表用户2009

[6] 戚甫峰,韩锐.基于HS1101的语音湿度测量仪[J].科学时代.2010

[7] 刘曙光,孙兴丽,张青.基于HS1101的湿度传感器及其变送器的设计[J].仪器仪表学报.2009