湿敏传感器工作原理

实验三十七 湿敏传感器实验

一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及特性。

二、基本原理：湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度，一般多用相对湿度概念，即在一定温度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值(用百分比表示)，称为相对湿度(用RH表示)。其单位为％RH。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验采用的是集成湿度传感器。该传感器的敏感元件采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件(湿敏电阻)。它的原理是采用具有感湿功能的高分子聚合物(高分子膜)涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上，导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元件阻抗随相对湿度变化成对数变化，一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的线性电压信号输出以制成湿度传感器模块形式。湿敏传感器实物、原理框图如图37—1所示。当传感器的工作电源为+5V±5％时，湿度与传感器输出电压对应曲线如图37—2所示。

图37—1湿敏传感器实物、原理框图

图37—2 湿度—输出电压曲线

三、需用器件与单元：主机箱电压表、+5V直流稳压电源；湿敏传感器、湿敏座、潮湿小棉球(自备)、干燥剂(自备)。

四、实验步骤：

1、按图37—3示意接线(湿敏座中不放任何东西)，注意传感器的引线号码。

图37—3 湿敏传器实验接线示意图

2、将电压表量程切换到20V档，检查接线无误后，合上主机箱电源开关，传感器通电先预热5分钟以上，待电压表显示稳定后即为环境湿度所对应的电压值(查湿度—输出电压曲线得环境湿度)。

3、往湿敏座中加入若干量干燥剂(不放干燥剂为环境湿度)，放上传感器，观察电压表显示值的变化。

1、 倒出湿敏座中的干燥剂加入潮湿小棉球，放上传感器，等到电压表显示值稳定后记

压力传感器

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

1、压阻式压力传感器原理与应用：

压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

压阻效应

当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。

压阻式压力传感器结构

压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条 ，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

1、应变片压力传感器原理与应用：

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

湿敏电阻的基本原理和特点

一、湿敏电阻的定义和概述

湿敏电阻（Humidity Sensing Resistor）是一种可以感知和测量湿度的传感器元件。它基于材料的湿度敏感性，通过测量电阻值的变化来反映周围环境的湿度水平。

二、湿敏电阻的工作原理

湿敏电阻的工作原理是基于半导体材料对湿度的敏感性。通常，湿敏电阻由两个电极片组成，中间填充有湿敏材料。当湿敏材料吸湿时，材料内部的电导率会发生变化，从而导致整个电阻的阻值发生变化。

三、湿敏电阻的特点

湿敏电阻具有以下几个特点：

3.1 高灵敏度

湿敏电阻对湿度的变化非常敏感，能够实时感知细小的湿度变化，并且具有较高的灵敏度。这使得湿敏电阻在湿度测量和控制应用中具有广泛的应用前景。

3.2 快速响应

湿敏电阻具有快速响应的特点，当环境湿度发生变化时，其阻值可以迅速地做出相应的变化。这使得湿敏电阻在需要实时湿度监测的场合中表现出色。

3.3 宽工作范围

湿敏电阻可在较广的湿度范围内正常工作，一般可达到20%~95%RH。这使得湿敏电阻能够适应不同湿度环境下的应用需求。 3.4 简单结构和低成本

湿敏电阻通常具有简单的结构，由较少的元件组成，制造和使用成本较低，适用于大规模生产和广泛应用。

四、湿敏电阻的应用领域

湿敏电阻在各个领域都有广泛的应用。

4.1 空调和恒温设备

湿敏电阻作为空调和恒温设备中的湿度传感器，可以感知环境湿度的变化，实现精确的湿度监测和控制，提高室内空气质量和居住舒适度。

4.2 农业和园艺

湿敏电阻可以应用于农业和园艺领域的湿度监测和控制。例如，可以用于土壤湿度的测量，帮助农民和园艺者进行灌溉和管理。

4.3 医疗和健康

湿敏电阻可以用于医疗和健康领域的湿度监测。例如，在呼吸器和氧气供应设备中，湿敏电阻可以监测患者呼吸器的湿度，确保呼吸器的湿度适宜。

4.4 工业自动化

湿敏电阻在工业自动化中也有广泛应用。例如，在食品加工和存储过程中，湿敏电阻可以用于湿度监测和控制，确保食品质量和安全。