陶瓷湿度传感器工作原理
陶瓷湿度传感器又称金属氧化物湿度传感器，因其感湿材料是由金属氧化物粉末经加压成型、烧结而成陶瓷物。因烧结程度可得很多孔状物，而在多孔质表面上会吸附水蒸气，以形成吸附层，而吸附层内之H+离子会因水蒸气的附着形成电流载子，当湿度高时，吸附层之水蒸气附着的电流容易流动。陶瓷湿度传感器即利用此性质，使湿度变化而转变成阻抗值变化的输出。
以上述原理制成的陶瓷湿度传感器有两种。其一为加热净化型，其构造如图1 所示，它分成感测部、加热部与基座部，其感湿材料多由Mg：Cr2O4-TiO2类的金属氧化物所构成，为多孔质结构。其两面接上与感湿材料热膨胀系数几乎相等且强度大的RuO2电极，再以Pt-Ir 为电极引线，构成湿度感测部。加热部材料为耐热性优良的肯撒尔（Kanhal）合金线，为了防止因加热引起此合金线的氧化，在线表面上涂一层氧化铝水泥烧结而成。为增加加热效率，因此，加热部紧紧围绕传感器。上述两部份全部都植在 Al2O3 之基座上，以引线点焊端子固定之。为了防止基座表面污染引起漏电，影响感湿特性，因此在底部设有保护环。为维持传感器的灵敏度，通常使用前以450~500℃的温度加热数分钟，以消除因长期使用所累积下来的OH 基使H+离子能恢复原先之活性。
图1 陶瓷湿度传感器结构
另一种则为非加热净化型，此类的传感器为了防止OH基的产生，而在多孔质粒子表面，被覆Pd化合物，图3为此传感器之构造。
图2 非加热净化型湿度传感器的微细构造
2. 特性：
(1)感湿特性：
如图3 所示，为陶瓷湿度传感器的湿度特性，于图中可知有两型不同特性之感湿材料，I型在低湿领域感度高，II型成线性特性。此两型之湿度一电阻变化率均极大，其滞后特性小，且感湿范围函盖了1％RH 的低湿度到100％RH的高湿度。
图3 陶瓷湿度传感器感湿特性
(2)反应速度：
一般陶瓷湿度传感器有反应速度慢的缺点。因此为改善其反应速度，在其构造上有了下列措施，必须有1μm 以下的吸湿细孔，其气孔率约为25％~40％，使成为大表面积之多孔质瓷器，瓷器厚度必须小到200~250μm，而瓷器两面必须以吸去湿特性佳的 RuO2 当电极。如图4为其吸湿脱湿的反应速度特性。
图4 反应速度特性
(3)温度特性：
如图5所示，为感湿材料与温度变化的关系，由整体看来，均呈负温度特性，一般使用至150℃亦均能测出其湿度变化情况。
图5 感湿特性的温度依存性
(4)动作电压：
外加电压在AC5V以下时, 感湿特性几乎不受外加电压影响，但若超过5V 以上或长时间加直流电压，在高温范围内会受到焦耳热的影响，尤以高湿度领域时，此倾向愈强烈。
(5)加热除污及长期变化
感湿材料吸收空气中的水份及其它物质，长期使用将减少其实效感湿面积及灵敏度，因此，在湿度计测以外的时间以加热部做 450℃ 短时间加热除污。由于短时间之加热除污将使得湿度感测器特性维持良好状态，就其长期变化而言，高温负载寿命大气中150℃约1万小时。高温高湿负载寿命95％RH 以上，60℃约1万小时。结露—加热除污循环可达25万回。
除上列五项特性之外，在使用湿度传感器时，须注意加热净化型不适于连续监视，因其一次净化之效果只维持15~30分钟，而非加热净
化型之湿度传感器，则可连续使用，但其测定环境温度不能高于50℃，且在长时间内不结露才可使用。
评论