合適的濕度對于生物、人類生活和生產都是十分重要的。過高的濕度易使衣料、紙張、煙草、食品等霉壞變質;致使精密儀器失靈敏度降低,甚至因絕緣霉變而毀壞;機械、兵器、設備生銹,彈藥失效等。相反,空氣中濕度過低形成干燥環(huán)境也會使木材開裂、制品材質變脆、培養(yǎng)的細菌和其他微生物枯死等現象產生。所以科學的測量和控制濕度,對于工業(yè)生產、氣象、環(huán)保、醫(yī)療、食品工業(yè)、貨物儲存、國防等都有十分重要的意義。
在測量濕度這塊,早年有毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計等,后來出現了采用電阻型濕度計,不過缺陷在于儀器靈敏度低,適用范圍受限,無法滿足現代科學技術發(fā)展的要求。而陶瓷濕敏傳感器的出現則很好的克服了這些問題,為現代濕度檢測和控制領域開拓了新的途徑。
按照所測環(huán)境濕度的不同,濕敏電阻大致可分為三大類:
1.高濕型。適于相對濕度(RH,Relative Humidity)大于70%的環(huán)境。其中的一個特例是結露傳感器,濕度達到100%
2.低濕型。適于RH小于40%的環(huán)境
3.全濕型。適于RH在0~100%的整個范圍。
濕敏陶瓷的特性指標主要有:
①靈敏度(濕敏性)。通常以相對濕度變化1%時阻值變化的百分率表示,寫為%/%RH。濕敏電阻要求較高的靈敏度,但過高的靈敏度會使儀表量程過窄,帶來不便。
②響應速率。響應速率是指環(huán)境變化后到元件阻值發(fā)生變化之間所需的時間,最快的不到1秒。最慢的可達數十分鐘。從使用要求上講,當然是越快越好。
③分辨率。分辨率與靈敏度和響應速率相關,用相對濕度的百分數表示。
④溫度特性。溫度特性是指溫度每變化1℃時,元件阻值的變化相當于多少“%RH”的變化。
1.陶瓷濕敏傳感器的構成
陶瓷濕敏傳感器由金屬氧化物陶瓷構成,分離子型和電子型兩類。
①離子型濕敏元件是由絕緣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,在濕空氣中呈現H ,使元件的電導率增加,主要成分分兩種α-Fe2O3及K2CO3和ZnO.V2O5.LI2O。陶瓷濕度傳感器在低濕段電阻隨濕度阻值變化較大,在40%-80%RH范圍內,線性度比較好,高濕段則變化過小,可見陶瓷濕度傳感器在常濕狀態(tài)下具有較好的特性曲線,而在高濕段,低濕段曲線發(fā)生畸變,非線性比較明顯。陶瓷濕敏元件的感濕特性還受到溫度變化的影響,溫度補償對測量精度是重要的。
②電子型濕敏傳感器主要有氧化鋁、一氧化鎂合成陶瓷濕度傳感器元件電導率的增加和減少,利用分子在氧化物表面上的化學吸附作用而成,N型半導體,P型半導體氧化物反應出正濕度特性和負濕度特性。氧化鋁和一氧化鎂濕度傳感器,在700℃以下溫度下可以進行濕度測量而比較穩(wěn)定。但結構復雜,需要加熱光柵加熱至700℃,耗電大使用條件苛刻,價格昂貴,還要防止空氣流速變動所引的特性改變,不易在工業(yè)領域普及使用。
陶瓷濕敏傳感器是近年來大力發(fā)展的一種新型傳感器。優(yōu)點在于濕度滯后,吸附水蒸氣能力強且靈敏度高,物理化學性能穩(wěn)定;響應速度快;體積小,便于批量生產;可加熱清洗,有利于在惡劣環(huán)境下工作。但由于多孔型材質,對塵埃影響很大,日常維護頻繁,時常需要電加熱加以清洗易影響產品質量,易受濕度影響,在低濕高溫環(huán)境下線性度差,特別是使用壽命短,長期可靠性差,是此類濕度傳感器迫切解決的問題。
2.陶瓷濕敏傳感器的應用
陶瓷濕敏傳感器已廣泛應用于各類機具中,例如濕度計、空調器、增濕機、去濕機、微波爐等。其應用領域及用途可見表1所示。
表1.陶瓷濕敏傳感器的主要應用領域及用途