Датчик влажности принцип работы: Датчик влажности почвы: описание, подключение, схема, характеристики

Датчик влажности можно получить как дешевое чувствительное электронное устройство, которое используется для измерения влажности воздуха. Этот датчик содержит элемент, который определяет влажность, а также термистор, который измеряет температуру. Материалы, из которых изготовлен резистивный датчик, имеют низкое удельное сопротивление. Благодаря небольшим размерам и невысокой стоимости резистивные датчики влажности используются в бытовых, жилых и промышленных помещениях.

Princy A. J | 3 июня 2020 г.

Количество водяного пара, присутствующего в воздухе, представляет собой влажность, и его можно рассчитать как абсолютную влажность и относительную влажность. Относительная влажность играет решающую роль в медицинских и промышленных помещениях. За пределами пороговых значений повышенное значение влажности может привести к ошибкам в системах прогнозирования погоды и сбоям в работе систем управления.Таким образом, измерение влажности является фактором безопасности. Значения влажности и температуры воздуха можно измерить с помощью датчиков влажности.

можно определить как дешевое чувствительное электронное устройство, которое используется для измерения влажности воздуха. Датчики влажности также известны как гигрометры. Способы измерения влажности включают удельную влажность, абсолютную влажность и относительную влажность.Два основных типа датчиков влажности классифицируются как датчик абсолютной влажности и датчик относительной влажности.

В зависимости от факторов, используемых для измерения влажности, вышеупомянутые датчики классифицируются как датчики влажности с теплопроводностью, резистивные датчики влажности и емкостные датчики влажности. Некоторыми параметрами при рассмотрении этих датчиков являются время отклика, точность, надежность и линейность.

Согласно обзору аналитика Research Dive, датчик влажности является важным устройством, помогающим измерять влажность окружающей среды.Обычно эти датчики содержат элемент, измеряющий влажность, и термистор, измеряющий температуру. Например, конденсатор — это точно так же, как чувствительный элемент для конденсаторного датчика. В датчике относительной влажности для расчета значений относительной влажности измеряется изменение диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов.

Материалы, из которых изготовлен резистивный датчик, имеют низкое удельное сопротивление. Эти резистивные материалы размещены на верхней части двух электродов.Когда значение удельного сопротивления этого материала изменяется, измеряется изменение влажности. Проводящие полимеры, твердые электролиты и соли являются примерами резистивных материалов, которые используются при создании резистивного датчика. С другой стороны, абсолютное значение влажности измеряется датчиками теплопроводности. Теперь посмотрим, как работают датчики влажности.

Емкостные датчики относительной влажности используются в нескольких приложениях для измерения влажности в принтерах, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, факсимильных аппаратах, автомобилях, метеостанциях, холодильниках, пищевой промышленности и т. Д.Из-за своего небольшого размера и низкой стоимости резистивные датчики используются в бытовых, жилых и промышленных приложениях. Датчики теплопроводности обычно используются в сушильных машинах, сушильных машинах, фармацевтических предприятиях и т. Д. Некоторые из применений датчика влажности в различных приложениях перечислены ниже.

Для дома: Контроль и определение влажности в наших офисах и домах очень важны, так как более высокая влажность может повлиять на кровоток. Другие области включают комнатные плантации, приготовление пищи и т. Д.

Промышленный: В таких отраслях, как химическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая и т. Д., Где используются печи, требуются датчики влажности, поскольку высокая влажность снижает количество кислорода, присутствующего в воздухе. Другие отрасли, такие как бумажная, текстильная, пищевая и т. Д., Также нуждаются в контроле влажности.

Сельское хозяйство: Капельное орошение — это метод орошения, требующий точного содержания влаги в растениях. В росте растения влага, присутствующая в почве, также играет важную роль.Более того, комнатная растительность также требует датчиков влажности.

Электроника и полупроводники: Ряд электронных устройств классифицируются по диапазону значений влажности. Обычно это значение составляет от 10 до 50% влажности. Кроме того, предприятиям по производству полупроводников необходимо поддерживать очень точные значения влажности и температуры, поскольку даже разница в минуту может сильно повлиять на производство.

Медицинское оборудование: Медицинское оборудование, такое как стерилизаторы, инкубаторы, вентиляторы и т. Д.нужен контроль влажности. Датчик влажности также используется в биологических процессах и фармацевтических заводах.

Для всех вышеупомянутых приложений требуется измерение влажности, и это делается с помощью датчика влажности.

Датчик влажности

Рис.1: Графическое изображение датчика влажности

Измерение влажности в промышленности имеет решающее значение, поскольку оно может повлиять на коммерческую стоимость продукта, а также на здоровье и безопасность персонала. Следовательно, датчик влажности очень важен, особенно в системах управления промышленными процессами и комфортом человека.

Контроль или мониторинг влажности имеет первостепенное значение во многих промышленных и бытовых приложениях.В полупроводниковой промышленности необходимо надлежащим образом контролировать и контролировать влажность или влажность во время обработки пластин. В медицине контроль влажности требуется для респираторного оборудования, стерилизаторов, инкубаторов, фармацевтической промышленности и биологических продуктов. Контроль влажности также необходим при химической очистке газов, сушилках, печах, сушке пленки, производстве бумаги и текстиля, а также в пищевой промышленности. В сельском хозяйстве измерение влажности важно для защиты растений (предотвращение росы), мониторинга влажности почвы и т. Д.Для бытовых применений требуется контроль влажности для жилой среды в зданиях, контроль приготовления пищи для микроволновых печей и т. Д. Во всех таких применениях и многих других используются датчики влажности , чтобы обеспечить индикацию уровней влажности в окружающей среде.

СООТВЕТСТВУЮЩИЕ УСЛОВИЯ ВЛАЖНОСТИ

При упоминании уровней влажности используются различные термины. Изучение концентрации водяного пара в воздухе как функции температуры и давления относится к области психометрии.Психометрия занимается термодинамическими свойствами влажных газов, в то время как термин «влажность» просто относится к присутствию водяного пара в воздухе или другом газе-носителе.

Измерение влажности определяет количество водяного пара, присутствующего в газе, который может быть смесью, например воздухом, или чистым газом, например азотом или аргоном. Различные термины, используемые для обозначения уровней влажности, приведены в таблице ниже:

Наиболее часто используемыми единицами измерения влажности являются относительная влажность (RH), точка росы / замерзания (D / F PT) и количество частей на миллион (PPM).RH является функцией температуры и, следовательно, является относительным измерением. Точка росы / замерзания зависит от давления газа, но не зависит от температуры и поэтому определяется как измерение абсолютной влажности. PPM также является абсолютным показателем.

Точки росы и точки замерзания часто используются, когда важна сухость газа. Точка росы также используется как индикатор водяного пара в высокотемпературных процессах, таких как промышленная сушка.

Пропорции смешивания, объемный процент и удельная влажность обычно используются, когда водяной пар является либо примесью, либо определенным компонентом технологической газовой смеси, используемой в производстве.

Корреляция между относительной влажностью, точкой росы / замерзания и PPM _v показана ниже:

Рис. 2: Рисунок, поясняющий корреляцию между относительной влажностью, точкой росы / замерзания и PPM

ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ — КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ

По единицам измерения датчики влажности делятся на два типа: датчики относительной влажности (RH) и датчики абсолютной влажности (влажности). Большинство датчиков влажности являются датчиками относительной влажности и используют различные принципы определения .

Таблица, показывающая важные параметры различных типов датчиков влажности, приведена ниже:

· Принцип чувствительности

Измерение влажности можно производить с помощью гигрометров с сухим и влажным термометром, гигрометров точки росы и электронных гигрометров.Увеличился спрос на электронные гигрометры, часто называемые датчиками влажности.

Электронные гигрометры или датчики влажности можно условно разделить на две категории: в одной используется принцип емкостного измерения, а в другой — резистивные эффекты.

Рис. 3. Блок-схема, поясняющая различные категории полимерных датчиков влажности

Датчики на основе емкостного эффекта:

, основанные на этом принципе, состоят из гигроскопичного диэлектрического материала, зажатого между парой электродов, образующих небольшой конденсатор.В большинстве емкостных датчиков в качестве диэлектрического материала используется пластик или полимер с типичной диэлектрической проницаемостью от 2 до 15. В отсутствие влаги диэлектрическая проницаемость гигроскопичного диэлектрического материала и геометрия датчика определяют значение емкости.

При нормальной комнатной температуре диэлектрическая проницаемость водяного пара составляет около 80, что намного превышает постоянную диэлектрического материала сенсора. Следовательно, поглощение водяного пара датчиком приводит к увеличению емкости датчика.

В условиях равновесия количество влаги, присутствующей в гигроскопичном материале, зависит как от температуры окружающей среды, так и от давления водяного пара в окружающей среде. Это также верно для гигроскопичного диэлектрического материала, используемого в датчике.

По определению, относительная влажность является функцией как температуры окружающей среды, так и давления водяного пара. Следовательно, существует взаимосвязь между относительной влажностью, количеством влаги, присутствующей в датчике, и емкостью датчика.Это соотношение определяет работу емкостного прибора для измерения влажности.

Базовая конструкция датчика влажности емкостного типа представлена ​​ниже:

Рис. 4: Рисунок, иллюстрирующий базовую структуру датчика влажности емкостного типа

На подложке из оксида алюминия нижний электрод сформирован из золота, платины или другого материала. На электрод наносится полимерный слой, например ПВС. Этот слой чувствует влажность. Поверх этой полимерной пленки нанесен слой золота, который действует как верхний электрод.Верхний электрод также позволяет водяному пару проходить через него в чувствительный слой. Пары входят в гигроскопический чувствительный слой или покидают его до тех пор, пока содержание пара не достигнет равновесия с окружающим воздухом или газом. Таким образом, датчик емкостного типа представляет собой конденсатор с чувствительной к влажности полимерной пленкой в ​​качестве диэлектрика.

Датчики на основе резистивного эффекта:

Датчики влажности резистивного типа регистрируют изменения значения сопротивления чувствительного элемента в ответ на изменение влажности.Базовая конструкция датчика влажности резистивного типа от TDK представлена ​​ниже

Рис. 5: Рисунок, иллюстрирующий базовую структуру датчика влажности резистивного типа

Толстопленочный проводник из драгоценных металлов, таких как золото и оксид рутения, напечатан и кальцинирован в форме гребенки для образования электрода. Затем на электрод наносится полимерная пленка; пленка действует как пленка, чувствительная к влажности из-за наличия подвижных ионов. Изменение импеданса происходит из-за изменения количества подвижных ионов.

Плюсы и минусы

Плюсы и минусы:

емкостного типа очень линейны и, следовательно, могут измерять относительную влажность от 0% до 100%, но требуют сложной схемы и регулярной калибровки. Датчики резистивного типа испытывают трудности при измерении низких значений (ниже 5% относительной влажности), изменение импеданса слишком велико и, следовательно, трудно контролировать динамику, температура значительно влияет на свойства. Однако достижения в области электроники могут смягчить проблемы, связанные с температурным воздействием и изменением высокого импеданса.

Емкостные датчики относительной влажности доминируют как в атмосферных, так и в технологических измерениях и являются единственными типами полнодиапазонных устройств измерения относительной влажности, способных точно работать при относительной влажности до 0%. Из-за их низкотемпературного воздействия они часто используются в широком диапазоне температур без активной температурной компенсации. Емкостные датчики на основе термореактивного полимера, в отличие от емкостных датчиков на основе термопласта, допускают более высокие рабочие температуры и обеспечивают лучшее сопротивление химическим жидкостям и парам, таким как изопропил, бензол, толуол, формальдегиды, масла, обычные чистящие средства и т. Д.

Другие механизмы измерения влажности:

1. Кулонометрический

Электролит образуется за счет поглощения воды, и получаемый уровень тока пропорционален содержанию влаги.

2. Гравиметрический

Объем влажного воздуха подвергается воздействию сушильного агента и затем взвешивается. Вес соответствует влажности.

3. Микроволновая печь / инфракрасный порт:

Затухание передаваемого сигнала изменяется по мере увеличения количества воды, что указывает на содержание влаги в среде.

4. Температура по сухому и влажному термометру

Психрометр дает оценки относительной влажности на основе измерения температуры сухого и влажного термометров

5. Точка росы

точки росы измеряют температуру точки росы, определяя образование росы на более холодном основании.

Характеристики

ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ — ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характеристика датчика выполняется на основе n-точечной (обычно 9) характеристики датчика.Характеристика проводится при определенной температуре (25 ° C) и возбуждении.

В методе определения характеристик по 9 точкам уровни влажности проходят через значения относительной влажности и измеряют соответствующее выходное напряжение постоянного тока для отдельного датчика: значения берутся при уровнях влажности 0%, 25%, 53,2%, 75,3%, 93,8%, 75,3%, 53,2%, 25% и 0%. На основе результатов определения характеристик строится прямая линия наилучшего соответствия (BFSL), а характеристики датчика указываются в таблицах данных.

. Acuracy

Точность указывается на основе конкретных калибровочных кривых для каждого отдельного датчика. Он задается с помощью линейной прямой линии наилучшего соответствия (BFSL) и нелинейной кривой порядка 2 ^nd .

В качестве примера рассмотрим датчик с точностью ± 2% относительной влажности (BFSL). Если датчик имеет выходное напряжение 0,689 В при относительной влажности 0%, средний наклон (BFSL) 0,036 В /% относительной влажности и смещение 0,662, то его погрешность точности BFSL определяется выражением (0.689 — 0,662) / 0,036 = 0,75% относительной влажности. Поскольку точность датчиков составляет ± 2% относительной влажности (BFSL), то есть 0,072 В, датчик всегда должен выдавать 0,662 ± 0,072 В или значение в диапазоне от 0,59 В до 0,734 В.

· Гистерезис

· Гистерезис — это разница между двумя преобразованиями напряжения в% относительной влажности (с использованием среднего наклона кривой BFSL) в каждой из четырех дублированных точек в девяти точках характеристики. Гистерезис регистрируется в абсолютных процентах относительной влажности.

Взятое значение представляет собой наибольшее значение% относительной влажности для отдельного датчика по каждой из четырех точек характеристики.

· Взаимозаменяемость

Взаимозаменяемость определяет диапазон напряжений для любой группы датчиков в этой точке относительной влажности.

В качестве примера рассмотрим датчик от конкретной компании с взаимозаменяемостью ± 5% при 0% относительной влажности. При средней крутизне (BFSL) 0,036 В /% относительной влажности и смещении 0,662 В относительная влажность ± 5% равна ± 0,18 В. Это означает, что выходное напряжение для этого устройства составляет 0,662 В ± 0,18 В или диапазон 0,482–0,842 В. При относительной влажности 0% выходной сигнал всей совокупности датчиков будет находиться в этом диапазоне.

· Линейность

Линейность указывает отклонение напряжения от значения BFSL и измеренного значения выходного напряжения, преобразованного в относительную влажность.

· Надежность

Датчики проходят ускоренные стресс-тесты. Если тесты приводят к смещению датчика и выдаче отчета об относительной влажности, выходящей за рамки предписанных спецификаций, датчик считается неисправным. На основе таких тестов указываются такие показатели надежности, как MTTF (среднее время наработки на отказ) и FIT (количество отказов на миллиард часов работы).

. Повторяемость

Повторяемость — это максимальное отклонение между выходными сигналами датчика при повторных измерениях уровней влажности в диапазоне измерения датчиков при идентичных условиях.

Например, если значение точки составляет 0,013 В при наклоне 31 мВ / относительная влажность, это составляет 0,42% относительной влажности.

· Время ответа

Время отклика измеряется в «медленно движущемся воздухе» (менее 5 м / с). Как правило, максимальное время, необходимое для повышения выходного напряжения датчика до 63% от его конечного значения или падения до 37% от конечного значения при ступенчатом повышении или понижении влажности, определяется как время отклика

· Температурная компенсация

Выходное напряжение для отдельного датчика при заданном возбуждении и относительной влажности зависит от температуры.Во многих датчиках измеряется температура, и влияние измерения температуры на влажность уменьшается, и это называется температурной компенсацией.

· Стабильность

Стабильность выходного напряжения — это дрейф выходного напряжения во времени при заданном уровне относительной влажности, преобразованный в значение относительной влажности%.

Этот показатель также получен в результате ускоренных стресс-тестов и обычно принимается как изменение среднего выходного напряжения большой партии датчиков в конкретных условиях окружающей среды.

Поскольку не существует реального физического стандарта для калибровки относительной влажности, приборы влажности не указаны должным образом. И пользователю действительно сложно сравнивать датчики от разных производителей. Это заставляет пользователя углубляться в спецификации и пытаться проверить заявления производителя прибора. Различные характеристики сенсора, а именно: точность, линейность, гистерезис, ошибки калибровки, долговременная стабильность сенсора и электроники, должны быть проверены с использованием вспомогательной документации от производителя оригинального оборудования.

Все о датчиках влажности

Изображение предоставлено: Валт Ахиппо / Shutterstock.com

, также называемые гигрометрами, представляют собой устройства, которые обнаруживают и измеряют количество водяного пара или влаги, содержащегося в воздухе, что может не только влиять на уровень комфорта, который испытывают люди и животные, но также играет важную роль. при производстве продукции и других производственных процессах.Уметь определять и измерять уровень влажности необходимо, чтобы контролировать его, например, включив кондиционер летом или увлажнитель зимой.

В этой статье будут рассмотрены основы работы с датчиками влажности — что это такое, разные типы, как они работают и где используются. Чтобы узнать больше о других датчиках, ознакомьтесь с нашей связанной статьей Датчики — полное руководство (типы, приложения и поставщики).

Что такое влажность и как ее измеряют

Влажность — это количество влаги, содержащейся в воздухе.Термин «влажный» описывает ситуацию, когда мы чувствуем себя некомфортно из-за слишком высокого уровня влажности. Люди обычно ищут средний уровень влажности, а слишком высокая влажность затрудняет работу нашего естественного механизма охлаждения, заставляя нас чувствовать себя некомфортно.

Существует несколько общих терминов, используемых для описания и измерения уровня влажности — абсолютная влажность, относительная влажность и точка росы.

• Абсолютная влажность (AH) определяется как количество влаги в воздухе без учета температуры воздуха.Единицы измерения массы на единицу объема — граммы на кубический метр. Воздух представляет собой смесь газов, способность которых удерживать водяной пар зависит от его температуры: чем теплее воздух, тем больше водяного пара он способен удерживать. При температуре 30 ^o C (86 ^o F) максимальная абсолютная влажность воздуха составляет около 30 г / м ³ . При 0 ^o C (32 ^o F) максимальная влажность воздуха падает до 5 г / м ³ . Более высокая абсолютная влажность означает, что в воздухе больше водяного пара на единицу объема, более низкая абсолютная влажность означает, что воздух содержит меньше водяного пара на единицу объема.
• Относительная влажность (RH) — это термин, с которым большинство людей знакомо по его использованию метеорологами и в сводках погоды. Относительная влажность выражается в процентах и ​​отражает отношение текущего значения абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности для данной температуры. Таким образом, он представляет собой процентное содержание влаги в воздухе по отношению к максимуму, который может быть при данной температуре и давлении.
• Точка росы — это температура, до которой воздух должен быть охлажден (в условиях постоянного давления) для достижения 100% относительной влажности или полного насыщения.Дальнейшее охлаждение воздуха выше этой температуры приведет к выходу водяного пара из атмосферы, например, в виде тумана или осадков. Чем выше точка росы, тем больше водяного пара в воздухе и тем мутнее воздух.

Датчики влажности играют ключевую роль во многих системах и приложениях, помогая измерять уровень влажности, чтобы его можно было контролировать и изменять по мере необходимости.

Типы датчиков влажности

Существует три основных типа используемых датчиков влажности, которые определяются в зависимости от того, какой подход используется для измерения влажности и подачи электрического сигнала, который может использоваться для определения значения.К этим типам датчиков влажности относятся:

• Датчики влажности емкостные
• Датчики влажности резистивные
• Датчики влажности теплопроводности

Первые два из них предназначены для измерения относительной влажности (RH) — последний используется для определения абсолютной влажности (AH). Датчики относительной влажности обычно также содержат термистор для определения температуры. Вы можете узнать больше о термисторах и других типах датчиков температуры в нашем соответствующем руководстве Все о датчиках температуры.

Датчики влажности емкостные

Емкостные датчики влажности, как следует из их названия, используют конденсатор, который состоит из двух электродных слоев, между которыми находится диэлектрический материал. В случае емкостных датчиков влажности диэлектрический материал является гигроскопичным, что означает, что он способен поглощать влагу из окружающего воздуха. Обычно используемый диэлектрик для емкостных датчиков влажности представляет собой полимерную пленку, диэлектрическая проницаемость которой составляет где-то 2-15.

В отсутствие влаги емкость (способность накапливать электрический заряд) определяется геометрией конденсатора и диэлектрической проницаемостью (диэлектрической проницаемостью) диэлектрического материала. Диэлектрическая проницаемость водяного пара при нормальной комнатной температуре составляет около 80, что намного больше, чем у диэлектрического материала. Поскольку диэлектрический материал поглощает водяной пар из окружающего воздуха, диэлектрическая проницаемость увеличивается, что увеличивает емкость датчика. Существует прямая зависимость между относительной влажностью воздуха, количеством влаги, содержащейся в диэлектрическом материале, и емкостью датчика.Изменение диэлектрической проницаемости прямо пропорционально значению относительной влажности. Измеряя изменение емкости (диэлектрической проницаемости), можно определить уровень относительной влажности. Датчик — это один элемент в цепи, которая также включает в себя зонд, кабель и блок электроники (сигнальную цепь), который принимает сигнал от датчика и выдает выходной сигнал, подготовленный для желаемого использования и применения.

Емкостные датчики влажности обеспечивают стабильные показания с течением времени и способны определять относительную влажность в широком диапазоне.Они также обеспечивают близкую к линейности амплитуду сигнала во всем диапазоне влажности. Они ограничены расстоянием между датчиком и сигнальной цепью.

Датчики влажности резистивные

Резистивный датчик влажности, иногда называемый гигристором или датчиком электропроводности, — это датчик, который использует изменение удельного сопротивления, измеренного между двумя электродами, для определения значения относительной влажности. Устройство содержит гигроскопичный проводящий слой в виде полимерной пленки, чувствительной к влажности, которая закреплена на подложке.Проводящая пленка содержит набор гребенчатых электродов, обычно нанесенных из благородного металла, такого как золото, серебро или платина, которые расположены в виде встречно-гребенчатого рисунка для увеличения площади контакта между электродами и проводящим материалом. Удельное сопротивление проводящего материала будет меняться обратно пропорционально количеству поглощаемой влаги. По мере поглощения большего количества водяного пара у неметаллического проводящего материала увеличивается проводимость и, следовательно, уменьшается удельное сопротивление.

Резистивные датчики влажности — это недорогие устройства, занимающие мало места и легко заменяемые. В отличие от емкостных датчиков влажности, резистивные датчики влажности могут работать в приложениях удаленного мониторинга, где расстояние между чувствительным элементом и сигнальной цепью велико.

Датчики теплопроводности и влажности

Датчики влажности с теплопроводностью используются для измерения абсолютной влажности. Они делают это путем вычисления разницы в теплопроводности сухого и влажного воздуха.

Два термистора NTC подвешены на тонких проводах с датчиком. Один из термисторов находится в камере, которая подвергается воздействию воздуха через ряд вентиляционных отверстий. Второй термистор помещен в другую камеру внутри датчика, которая герметично закрыта в сухом азоте. Электрическая мостовая схема пропускает ток к термисторам, которые начинают самонагреваться. Поскольку один из термисторов подвергается воздействию влаги из воздуха, он будет иметь разную проводимость. Можно измерить разницу в сопротивлении двух термисторов, которая будет прямо пропорциональна абсолютной влажности.

с теплопроводностью подходят для использования в высокотемпературных или агрессивных средах, долговечны и могут обеспечивать более высокое разрешение, чем другие типы датчиков влажности.

Применение датчиков влажности

используются во многих промышленных, коммерческих и потребительских приложениях. Анализаторы влажности содержат датчики влажности и предоставляют средства для измерения и контроля влажности и влажности на производственных объектах в рамках приложений управления технологическими процессами.Понимание плотности воздуха при стандартных условиях температуры и давления важно при использовании анализаторов влажности для проведения точных измерений с помощью этих приборов.

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха датчики влажности имеют решающее значение для поддержания надлежащих климатических условий и повышения энергоэффективности. Они используются в медицинских целях, таких как инкубаторы и отделения интенсивной терапии новорожденных. Наземные и бортовые метеостанции используют датчики влажности для отслеживания условий окружающей среды и помощи в прогнозировании погоды.В автомобильной промышленности датчики влажности используются для контроля вентиляции кабины и предотвращения запотевания лобовых стекол. Качество обработки пищевых продуктов напрямую зависит от точного измерения уровня влажности макаронных изделий и других пищевых продуктов, таких как выпечка. Полупроводниковая промышленность тщательно следит за климатическими условиями в производственных процессах для интегральных схем, так как выход продукции может снизиться, если условия выйдут за пределы установленных диапазонов.

Сводка

В этой статье представлена ​​информация о датчиках влажности, в том числе о различных типах, принципах их работы и областях их применения.Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70000 различных категорий продуктов и услуг, включая более 200 поставщиков датчиков влажности и других датчиков, таких как линейные датчики, медицинские датчики, датчики температуры, датчики напряжения и многое другое.

Источники:

1. https://www.weather.gov/
2. https://www.electronicsforu.com/resources/electronics-components/humidity-sensor-basic-usage-parameter
3. https: // www.fierceelectronics.com/sensors/what-a-humidity-sensor
4. https://www.engineersgarage.com
5. https://www.elprocus.com/a-memoir-on-humidity-sensor/
6. https://www.electronicshub.org/humidity-sensor-types-working-principle/
7. https://faculty.weber.edu

Датчики прочие изделия

Больше от Instruments & Controls

Принцип, механизм и технологии изготовления: всесторонний обзор

резистивного типа обычно содержат электроды из благородных драгоценных металлов, нанесенные на стеклянную или керамическую подложку с помощью методов толстопленочной печати [95] или осаждения тонких пленок [96].Конструктивная конфигурация большинства резистивных датчиков основана на встречно-штыревых (встречно-штыревых) электродах [97], в которых чувствительные к влажности пленки нанесены между ними так, что они касаются электродов E1 и E2. Подложка платформы может быть покрыта электролитическими проводящими полимерами, такими как соли и кислоты [98,99], или легированными керамическими сенсорными пленками [100,101]. В некоторых случаях пленочные датчики формируются путем применения как методов печати, например трафаретной или струйной печати, так и методов нанесения покрытия, например.g., методы химического осаждения из паровой фазы (CVD), такие как центрифугирование и покрытие погружением, или методы вакуумного физического осаждения из паровой фазы (PVD), такие как термическое испарение и холодное распыление [102]. В гибридных структурах часто нижним слоем является толстопленочный печатный слой. Среди упомянутых методов осаждения электрохимическое осаждение чаще всего применяется, когда требуется покрытие крошечной области подготовленными полимерами. Однако есть редкие работы, в которых применялись различные методы осаждения, такие как методы распыления [103] или комбинация пиролиза распылением с другими методами [104].

Резистивные датчики измеряют изменение влажности и преобразуют его в изменение электрического импеданса гигроскопической среды. Как правило, изменение сопротивления влажности следует обратной экспоненциальной зависимости и почти варьируется от 1 кОм до 100 МОм. Как правило, при адсорбции водяного пара его молекулы диссоциируют на ионные функциональные гидроксильные группы, что приводит к увеличению электропроводности пленки. Более того, время срабатывания резистивных датчиков обычно составляет от 10 до 30 с при изменении уровня влажности на 63% [105].Эскиз прототипа планарного толстопленочного / тонкопленочного датчика влажности на основе встречно-гребенчатой ​​структуры с пористой мембраной показан на рис. На схематическом эскизе выделены важные параметры конструкции.

Первоначальный тонкопленочный датчик влажности резистивного типа с высокой точностью (1%), называемый «Hument», был разработан компанией Nakaasa Instrument Co. Ltd. в 1978 году [47] и вышел на рынок. показан схематический эскиз и размеры этого датчика. Он был приготовлен на основе сополимеризации солей аммония на встречно-штыревом электроде из золота, помещенном на подложку из оксида алюминия.Время реакции адсорбции составляло примерно 2 мин, в то время как во время процесса десорбции оно было немного больше. Hument страдает длительным временем отклика и большими размерами. Со временем появились другие сополимеры с другими методами получения, такие как сшитые сополимеры (сетки сшитых полимеров), полученные из стиролсульфоната методом фотополимеризации, виниловый полимер и N, N-метилен-bls-акриламид в качестве сшивающего материала. regent были исследованы [106,107].

5.1. Резистивные датчики влажности на основе полимеров

Исследования и исследования полимерных датчиков влажности продолжались и применялись в промышленности на протяжении последних четырех десятилетий. Большинство этих датчиков изготавливаются на основе тонких пленок пористых полимеров [108] и используют принципы измерения, аналогичные принципам чувствительности металлооксидных керамических датчиков. Функциональные возможности датчиков основаны на физическом и химическом поглощении воды пленками и конденсации в присутствии капиллярных пор и, следовательно, на изменении некоторых физических и электрических свойств датчика.Величина изменения объемной проводимости или диэлектрической проницаемости зависит от внутренних конфидантов.

Однако спрос на тонкопленочные сенсоры влажности из органических полимеров и их применения все еще имеет меньшую степень удовлетворения и важность по сравнению с металлооксидными толстопленочными или тонкопленочными керамическими сенсорами [109], но их производство и разработка непрерывно развивались. , особенно в лабораторных исследованиях [110]. За последние два десятилетия были разработаны резистивные элементы [105,111], такие как толстопленочные планарные [112] и тонкопленочные напыленные [113] компоненты на основе трех групп полиэлектролитных полимеров [114–116] и сополимеров [117–119]. для измерения влажности [120–124].

Полимерные электролиты (полиэлектролиты) — это группа полимеров с электролитическими группами, такими как ионные мономеры, которые проявляют ионную проводимость при воздействии водяного пара. Они реагируют на изменения водяного пара, увеличивая свою ионную подвижность или концентрацию носителей заряда от низкой до высокой [125,126]. Полиэлектролиты могут быть получены из солей, кислот и оснований. Согласно классификации Чена и Лу, чувствительные к влаге полиэлектролиты группируются на основе их функциональных электролитических групп и могут быть принципиально разделены на три основные категории, состоящие из солей четвертичного аммония, солей сульфоната и солей фосфония [49].Полиэлектролиты обычно гидрофильны и, как правило, растворимы в воде, поэтому они не устойчивы к водяному пару в течение длительного времени и страдают от слабой долговечности [47,113]. Кроме того, полимерные электролиты имеют серьезный недостаток изменения сопротивления при воздействии высоких уровней влажности, часто выше 50% относительной влажности. Большой гистерезис также входит в число других существенных недостатков этих групп. Напротив, проводящие полимеры частично гидрофобны и, таким образом, демонстрируют более высокую долговечность из-за более низкого водопоглощения [126,127].Кроме того, проводящие полимеры, такие как поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) или поли (3,4-этилендиокситиофен-поли (стиролсульфонат) (PEDOT-PSS), проявляют более высокую чувствительность к влаге и значительные обратимые изменения импеданса при воздействии во влажных условиях [128]. Миниатюрный датчик влажности резистивного типа, изготовленный из органического сопряженного полимера на основе PEDOT, был разработан и изготовлен с использованием стандартной технологии MEMS, интегрированной с процессом полимеризации. Характеристики электрических испытаний показали, что датчик чувствителен к относительной влажности диапазон от 20% до 99% [129].Кроме того, Miyoshi et al. сообщил о гибкой конструкции резистивного датчика влажности, основанной на многослойной пористой гидрофобной структуре мембраны из политетрафторэтилена, нанесенной методом мягкой МЭМС, применимым к диапазонам физиологической влажности [130].

Были усовершенствованы методы проектирования и изготовления водостойких элементов в случае резистивных датчиков влажности на основе полимерных электролитов для снижения водорастворимости и защиты их от деформации растворением [131].Некоторые из этих методов включают применение гидрофобных групп путем прививки и сополимеризации для нанесения защитных пленок [132–134], образование поперечных связей и взаимопроникающих сетевых структур [135–137], получение органических / неорганических гибридных соединений, содержащих металл или оксид металла. добавление полимеров [138–140], введение реакционноспособных функциональных групп для образования химических связей между подложкой и чувствительным слоем посредством реакций фотохимического сшивания [141–143], закрепление полимерных мембран на поверхности электродов с помощью УФ-излучения, в основном в работе Автор: Gong et al. и его коллеги [144–146], а также добавление легирующих добавок, например солей или кислот, для устранения недостатков полупроводниковых / проводящих полимеров [147–149].

Водостойкие полиэлектролитные датчики влажности на основе композитов эпоксидной смолы и двух других сомономеров, выбранных из солей четвертичного аммония, были получены Ли и др. . Чувствительная мембрана была сформирована из композиции хлорида глицидилтриметиламмония (GTMAC) в качестве мономера и метилтетрагидрофталевого ангидрида (MTPHA) и диглицидилового эфира полипропиленгликоля (PPGDGE) в качестве сомономеров, а затем введена на печатный золотой электрод для формирования сенсора.Датчики были протестированы для использования в тяжелых условиях [150]. В случае полиэлектролитных солей четвертичного фосфония новый мономер (винилбензил) трибутилфосфонийхлорид был сополимеризован с двумя другими сомономерами в качестве водостойкой чувствительной мембраны с использованием метода нанесения покрытия погружением [151]. Датчик показал чувствительность к водяному пару в диапазоне относительной влажности от 20% до 95%. Для повышения прочности и стабильности при высокой влажности Sakai et al. сообщили об одновременном сшивании и кватернизации поли (4-винилпиридинового) полимера с другим полимером [152].Позже Sakai et al. разработал сшитые гидрофильные полимерные пленки для образования взаимопроникающих полимерных сетей (IPN) с гидрофобным полимером, чтобы сделать гидрофильные полимерные пленки более стабильными и долговечными в условиях высокой влажности [105]. Сополимеризация гидрофильных или гидрофобных мономеров с другими гидрофобными мономерами и влияние различных параметров на характеристики сшитых кватернизованных полиэлектролитных мембран были дополнительно описаны в [153,154].

За последние восемь лет во многих работах рассматривались способы устранения недостатков, присущих чувствительным мембранам на основе полимерного электролита, и, следовательно, устранения некоторых их нежелательных характеристик. Изучив опубликованные данные, выяснилось, что большинство из этих проблем касалось растворимости в воде при высокой влажности, низкой степени чувствительности при низкой влажности, уменьшения общего импеданса и модификаций гистерезиса. Поли (4-винилпиридин) представляет собой пример слабого гидрофильного полимера, который был подвергнут некоторым видам обработки для использования в качестве чувствительного к влажности материала Li et al .Чтобы улучшить чувствительность к влаге, прочность пленки, стабильность и способность работать во влажных средах, они сополимеризовали мономер бутилметакрилата с 4-винилпиридином вместе с реакцией дибромбутана с получением сшитых и кватернизованных структур [155]. Более того, новый резистивный датчик влажности на основе полиэфира (ПЭТ) был изготовлен на основе in situ сополимеризации двух различных полимеров для получения долговременного стабильного датчика [156]. Согласно Li et al. водостойких влагочувствительных пленок на основе структуры взаимопроникающей сети (IPN) были одновременно получены путем сшивания поли (диметиламиноэтилметакрилата) (PDMAEM) и поли (глицидилметакрилата) (PGMA). В качестве сшивающих мономеров использовали гидрофобные полимеры 1,4-дибромбутана (DBB) и диэтилтриамина (DETA) соответственно. Датчик был протестирован при относительной влажности 20–97%, показал чувствительность к низкой влажности и приемлемый отклик 4 с [157]. Полипиррол — один из полимеров, имеющий ряд недостатков.Sun et al. изготовил датчик на основе полипиррольного композита путем химической жидкофазной полимеризации и дальнейшей кватернизации 1,4-дибромбутаном для получения датчика с низкой влажностью [158]. В других работах сообщается о датчике влажности резистивного типа с акцентом на улучшенные методы получения сшитых полиэлектролитов, например, кватернизация, а затем сополимеризация [159], сшивание и кватернизация [160]. Как новый вклад Sun et al. был предложен и испытан в различных химических средах, таких как ацетон и аммиак, при влажности от 30% до 95% RH резистивный датчик влажности, основанный на сополимеризации и последующей кватернизации.В результате при изменении влажности на 63% датчик показал изменение импеданса на четыре порядка. Под воздействием паров этанола выходные свойства снизились всего на порядок [161].

Как упоминалось ранее, создание прочных соединений между полимерами и пластиковыми подложками, часто полиэфирными (ПЭТ) и полиимидными подложками, является основной задачей текущих разработок. Эта проблема была несколько смягчена введением физических и химических реактивных методов для формирования связывающей матрицы.Чувствительные к влажности композитные нановолоконные материалы из кремнийсодержащего полимерного электролита, полиэтиленоксида и полианилина были получены методом электроспиннинга. Как влажность, так и когезия поперечного сшивания были улучшены за счет модификации первого слоя (золотого электрода) поли (диаллилдиметиламмонийхлоридом) (PDDA) перед осаждением. Кроме того, они обнаружили, что присутствие полианилина (PANI) в нановолокнах эффективно приводит к снижению импеданса пленки. Также сообщалось, что короткое время отклика сенсора можно рассматривать как результат улучшенного соединения композитных нановолокон и подложки [162].Основываясь на их новой работе по композитам из нановолокон на основе полианилина (PANi), было замечено, что на адгезию пленки как к подложке, так и к электроду в значительной степени влияет образование гранул наноструктуры в нановолокнах. Более того, замедление и поддержание соотношения композиции поли (винилбутираля) и поли (этиленоксида) в растворе для электропрядения (ES) привело к хорошему электрическому контакту, относительно высокой удельной поверхности и модификации гидрофильности нановолокна в PANi, содержащем гранулы. нановолокна [163].Другой альтернативой является закрепление полиэлектролитов, чувствительных к влажности, к поверхности электрода на пластиковых подложках. Su et al. изготовили новые гибкие резистивные датчики влажности на основе закрепленных полиэлектролитных мембран (полученных путем сополимеризации метилметакрилата и [3- (метакриламино) пропил] триметиламмонийхлорида) с встречно-штыревым золотым электродом (предварительно обработанным 3-меркаптопропионовой кислотой) на подложке из ПЭТФ. химический протокол пептидов. N- (3-диметиламинопропил) -N’-этилкарбодиимид гидрохлорид (EDC) использовали в качестве реагента пептидного сочетания.Датчики показали хорошую зависимость от влажности в широком диапазоне влажности (20–90% относительной влажности) с хорошей долгосрочной стабильностью. На водостойкость закрепленного поли-MMA-MAPTAC в зоне контакта MPA / Au влияло количество добавленного EDC [164]. Улучшение прилипания между сенсорными слоями полиэлектролита и полиимидными пленками в качестве гибкой подложки также изучалось и экспериментировалось [165] путем синтеза полиэлектролитных и эпоксидных смол в виде взаимопроникающих полимерных сеток, которые были получены сшиванием и сополимеризацией, чтобы стать потенциальным методом.Чувствительные мембраны были изготовлены методом трафаретной печати и оценены в диапазоне влажности от 20% до 95% относительной влажности с хорошей чувствительностью от низких до высоких областей [166]. Большинство рассмотренных датчиков показали чувствительность к влажности даже при значениях относительной влажности ниже 30%.

Для увеличения изменения импеданса этих резистивных полимерных датчиков влажности на основе сопряженных проводящих или полупроводниковых полимеров легирование и диспергирование ионов катализатора внутри материалов-прекурсоров приводит к снижению удельного сопротивления при низкой влажности [167–170] и, следовательно, к большим изменениям проводимости. .В этом отношении поли ( p -диэтилбензол) или PDEB были синтезированы с никелевым катализатором (Ni-C) в качестве нового комплексного катализатора переходного металла и ацетилида в системе смешанных растворителей диоксан-толуол при 25 ° C Ян et al. и могут использоваться для измерения влажности. В результате получено соединение с более высокой молекулярной массой (MW) и хорошей растворимостью. Датчик был протестирован в диапазоне влажности от 15% до 92% относительной влажности, а полное сопротивление датчика варьировалось от 10 ³ до 10 ⁷ Ом, что было достаточно низким по сравнению с другими датчиками на основе сопряженных полимеров [171] .Наночастицы золота относятся к числу металлических катализаторов, которые используются для создания тонкопленочных сенсоров с высокой проводимостью [172]. Su et al. синтезировал и изготовил датчики влажности импедансного типа из дендримерного полимера полиамидоамина с концевыми аминогруппами (PAMAM), диспергированного с AuNP (наночастицами золота) путем нанесения капельного покрытия на полиэфирную подложку. Их прототипная конструкция предлагает преимущества гибкости благодаря новому субстрату и низкую чувствительность к относительной влажности из-за присутствия каталитических агентов Au [173].

Дополнительным недостатком датчиков влажности резистивного типа на основе полиэлектролитов является их плохое определение низкой влажности при работе в очень сухой атмосфере (при относительной влажности около 40%), где они, таким образом, демонстрируют чрезвычайно низкую проводимость, что, следовательно, затрудняет или делает невозможным измерения выходного электрического отклика. Чтобы устранить эту проблему, одним из решений является изменение полимерной матрицы путем применения сверхпроводника с высокой собственной проводимостью и методов механического перемешивания.Ли и др. разработали композит поли (4-винилпиридин) / углеродная сажа (CB), который будет использоваться в качестве материала, чувствительного к влажности [174]. Основываясь на их работе, поли (4-винилпиридин) (PVP) был привит на углеродную сажу (CB) в присутствии TEMPO с образованием нового соединения, которое было дополнительно кватернизовано и сшито с алкилгалогенидами, такими как бромбутан и 1,4 -дибромбутан для получения материала, чувствительного к влажности.

В другой работе после этого, солевой (допированный перхлоратом натрия) сополимер четвертичной аммониевой соли (2- (диметиламино) этилметакрилата (DMAEMA) с метакрилатом метилового эфира полиэтиленгликоля (PEGMEMA)) был получен Lv. et al.№ для использования в тонкопленочных датчиках влажности резистивного типа [175]. Эти датчики были охарактеризованы в диапазоне влажности от 10% до 98% относительной влажности и дали различную проводимость для различных диапазонов относительной влажности, и примечательно, что особенно высокая проводимость наблюдалась даже при очень низкой влажности.

5.2. Резистивные датчики влажности на керамической основе

Электрокерамические материалы как в виде соединений, так и в виде однокомпонентных материалов с одно- / поликристаллической структурой могут рассматриваться как полезные кандидаты для приложений измерения влажности.Для решения проблем нехватки (проблемы возникают из-за нехватки материалов) обычных материалов, таких как недостаточная чувствительность или селективность, низкий уровень каталитики, недостаточность полостей, деградация поверхности из-за сильных загрязнений в суровых условиях и невозможность работы в засохших или пропитанных водой окружающей среде, было предложено использование инновационных материалов с новыми механизмами определения влажности [176]. Эта цель может быть достигнута путем формирования вновь обретенных комбинаций i.е. , смешивание наноматериалов с различным размером / морфологией частиц, гибридизация материалов путем замещения или легирования новых атомов в решетке, уменьшение размера частиц до субнанометров и, наконец, исследование влияющих свойств материалов из разных семейств с разными вакансии в валентном слое.

Пористые керамические или керамические датчики влажности на основе наностержней могут быть реализованы и сформированы с помощью таких методов, как толстопленочная трафаретная печать [177, 178], посредством которой проводящие и непроводящие пасты наносятся на изолирующую подложку, тонкие пленки плазмы или вакуумного пара, которые осаждаются на основе на полупроводниковых оксидах металлов [179,180], а пленки образуются путем анодирования, в основном для оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) [181].В таких толстопленочных продуктах толщина пленки обычно превышает 10 мкм, и к предварительно прореагировавшим порошкам могут быть добавлены легирующие агенты в качестве катализаторов реакции для ускорения диссоциации молекул воды на функциональные группы, содержащие ионы водорода и гидроксила. Тонкие пленки вакуумного пара или плазменного напыления на различных подложках, таких как кремний, также будут функционировать как устройства резистивного типа и в основном использовать ионно-электронную проводимость из-за их полупроводниковой природы. Поверхностные ионы гидроксила уменьшают удельное сопротивление пленки и, следовательно, изменяют импеданс.

Как упоминалось в разделе 3, резистивные датчики делятся на группы с ионной и электронной проводимостью. MgCr ₂ O ₄ -TiO ₂ [182], ZnCr ₂ O ₄ -LiZnVO ₄ [183], TiO ₂ -K ₂ Ti ₆ [184], Ni (Al, Fe) ₂ O ₄ -TiO ₂ [185], MgFe ₂ O ₄ [69], ZnO, TiO ₂ [186] и наноразмерный SnO ₂ , добавленный с различными соотношениями CuO, Fe ₂ O ₃ и сооксиды SbO ₂ [187], являются примерами типов ионной проводимости, которые работают за счет использования поверхностной хемосорбции и физической адсорбции для измерения относительная влажность окружающей среды.Датчик влажности из пористой керамики MgCr ₂ O ₄ -TiO ₂ был разработан Nitta et al. для микроволновых печей [188]. Этот материал функционировал на основе хемосорбции и физизопсии молекул воды и, наконец, ионной протонной проводимости [86]. Оценка измерения влажности происходила в две фазы, включающие низкую и высокую относительную влажность: при низкой относительной влажности хемосорбция вызывала диссоциацию молекул водяного пара и образование гидроксильных ионов на поверхности участков Cr ³⁺ .Повышенный уровень влажности вызывает физическую адсорбцию и образование первого слоя ионов гидроксония и, следовательно, перенос протонов на соседние участки, что приводит к усилению проводимости (ионной или протонной). При более высокой относительной влажности конденсация водяного пара происходит в квазиапертурах капилляров с образованием жидких слоев. Электролитическая проводимость приводит к возникновению дополнительной проводимости. Этот тип преобразования, являющийся основным механизмом проводимости для большинства доступных датчиков влажности, был ранее подробно описан в разделе 4.

Пористость, средний размер зерна и средний размер пор MgCr ₂ O ₄ -TiO ₂ составляли 30% –40%, 1–2 мкм и 300 нм соответственно. Обогреватель повысил чувствительность датчика влажности, нагревая его до 450 ° C после любого использования. Этот нагрев был необходим для удаления гидроксильных групп на поверхности. Кроме того, обогреватель удалял такие загрязнения, как пыль, масло и другие химические пары. показывает конструктивную структуру этого датчика.

Строительный эскиз MgCr ₂ O ₄ -TiO ₂ керамический датчик влажности [86].

Ямамото и др. исследовал и предложил аналогичный механизм обнаружения для датчика влажности TiO ₂ / SnO ₂ (мольное соотношение 1: 1), основанный на механизме ионной проводимости на поверхности датчика [189]. В этом случае зерна с большим поперечным сечением межзеренных шейок сделали устройство менее чувствительным к хемосорбции и, следовательно, уменьшили влияние гидроксильных функциональных групп. Кроме того, использование этого керамического датчика без нагревательного элемента возможно в среде, в которой отсутствуют токсичные газы или вредная пыль.Примерно восемь лет спустя, в 1989 году, пористый керамический датчик влажности, сделанный из чистого диоксида титана, был исследован Yeh et al. [190]. Новым открытием этой работы стало то, что датчик можно было эксплуатировать при комнатной температуре (25 ° C) и восстанавливать без какой-либо термической десорбции. Кроме того, чувствительность датчика к влажности и проводимости была изменена более чем на четыре порядка для диапазона относительной влажности от ~ 15% до 95% при 400 Гц. На основании результатов электрических характеристик датчик работал с помощью носителей ионной проводимости, которые были как ионами, так и электронами, и ионы были доминирующими носителями.

Свойства чувствительности к влажности феррита магния (MgFe ₂ O ₄ ) и феррита магния, замещенного литием в различных соотношениях (Mg _{1 − x} Li _x Fe ₂ O ₄ ) (0,2 ≤ x ≤ 0,6), синтезированных из неорганических прекурсоров твердофазной реакцией [191]. Было упомянуто, что целью замещения ионов Li ⁺ является дальнейшее уменьшение размера зерна керамического феррита шпинели, что способствует увеличению пористости и созданию большего количества структур с дефектами решетки.Влагостойкость композитов оценивалась в диапазоне относительной влажности 10–80% при комнатной температуре. Все ферриты-шпинели, замещенные ионами лития, показали повышенную чувствительность к влажности, особенно образец с замещением лития x = 0,2. При низкой относительной влажности чувствительность образцов, содержащих щелочь, увеличивалась из-за лучшего донора электронов на объемной поверхности от паров воды. В целом образец с x = 0,2 Li обеспечивает большую площадь поверхности и высокую степень пористости, следовательно, более сильную адсорбцию / десорбцию.Путем сравнения данных было установлено, что наименьшая пористость и, следовательно, наименьшая чувствительность соответствовали образцу Li с x = 0,6.

Датчики влажности на основе полупроводниковых оксидов металлов были разделены на датчики с электронным типом проводимости и в основном изучались при температурах выше 100 ° C. Поскольку эти сенсоры работают при температурах, намного превышающих температуру физической адсорбции воды, их механизм проводимости основан только на химической адсорбции (хемосорбции) молекул водяного пара [48].Фактически, этот тип работал на основе донорства электронов от молекул водяного пара к поверхности полупроводникового оксида металла. В таких случаях хемосорбция водяного пара приведет либо к увеличению, либо к уменьшению удельного сопротивления сенсора в зависимости от типа полупроводника, будь то n-тип или p-тип. Свойства микроструктуры полупроводниковых датчиков электронного типа, такие как площадь поверхности, распределение пор по размерам и средний размер частиц, не так эффективны, как микроструктуры этих ионных типов, для чувствительных характеристик датчика [47].На основании отчета Ямазоэ и Симидзу (Sr _{1 − x} , La _x ) SnO ₃ и ZrO ₂ -MgO относятся к электронным типам, однако это единственная работа, в которой перовскиты, такие как SLS были помещены в группу высокотемпературных полупроводниковых датчиков. Возможно, замена сайтов B и X оксидами лантана и олова повлияла на принцип работы датчиков. В другой работе начала 1980-х годов Seiyama et al. заявил, что изменение проводимости полупроводниковых электронных датчиков n-типа i.е. , SrSnO ₃ , больше, чем у датчиков p-типа, таких как SrTiO ₃ , при воздействии влажности [69].

5.2.1. Керамические датчики влажности перовскитного типа

Исследования и изучение поведения при измерении влажности и морфологической структуры пористых перовскитных пленок и объемных материалов продолжают давать новые предварительные и инновационные результаты [192–194]. Перовскитовые пленки применялись для изготовления емкостных датчиков влажности [195] и микроустройств [196].Механизм измерения влажности оксидов перовскитного типа с общей формулой ABX ₃ , как сообщается, основан на донорстве электронов от молекул водяного пара. Было заявлено, что их активность может быть приписана захваченным электронам из-за наличия поверхностных дефектов, таких как вакансии ионизированного кислорода, и эти захваченные электроны могут высвобождаться адсорбцией молекул водяного пара на дефектных участках [48,69]. На основании предыдущих исследований сообщалось, что чувствительные к влажности свойства перовскитных керамических оксидов проявляются только при повышенных температурах в диапазоне от 300 ° до 500 ° C, таким образом, они работают на основе механизма типа электронной проводимости [48,69,197 ].Для перовскитов на основе церия, таких как Nd ₂ O ₃ , допированный BaCeO ₃ и SrCeO ₃ , было обнаружено, что подвижность протонов выше, чем подвижность ионов кислорода при температуре 700 ° C, поэтому они используются для потенциометрических датчиков влажности из-за их высокой протонной проводимости [198,199]. Датчик влажности на основе перовскита с твердым электролитом из SrCe _0,95 Yb _0,05 O ₃ для высокотемпературных применений реагировал на влажность смешанными проводниками из ионов водорода (протонов), ионов кислорода (электронов) и положительных дырок как дефектов решетки [ 200].В другой работе смешанные перовскиты ниобатов бария-кальция (BCN) показали хорошие многообещающие свойства проводимости протонов и стабильность в низкотемпературных влажных атмосферах. В этом материале подвижность протонов составляет примерно один порядок величины концентрации ионов кислорода, а изменения проводимости являются функцией диссоциации H ₂ O, следовательно, это может быть комплекс типа ионной проводимости [201].

Примерно с 1987 года было определено, что многие виды перовскитных оксидов металлов с пористой структурой демонстрируют устойчивые характеристики чувствительности к влажности даже при комнатной температуре из-за их протонно-ионного механизма восприятия и отсутствия электронной проводимости [202, 203].В зависимости от применяемого прекурсора для участков A или B комплексов эти сенсоры показали чувствительность к влажности от 8% –20% до более высоких значений RH, составляющих около 98% [204–207]. Sadaoka et al. показали, что KH ₂ PO ₄ легированный пористый PLZT (Pb, La) (Zr, Ti) O ₃ сегнетоэлектрики (титанат цирконата свинца-лантана, легированный дигидрофосфатом калия), спеченный при 700 ° C, может быть использован в качестве датчик влажности при комнатной температуре и диапазоне влажности от 0 до 90% относительной влажности.Кроме того, они заметили, что зависимость импеданса сенсора от влажности в основном основана на покрытии адсорбированным водяным паром (физисорбция), и поэтому доминирующими переносчиками являются протоны с ионной проводимостью [208].

Yeh et al. [209] попытался изучить физические и электрические характеристики пористой керамики Ba _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ в различных диапазонах низких и высоких частот при комнатной температуре (25 ° C) и указал, что этот перовскит является подходящим кандидатом для использования в качестве материала датчика влажности.Они обнаружили, что преобладающими проводящими носителями, вероятно, являются протоны, поэтому принцип зондирования — протонная ионная проводимость. Эта композиция показала хорошую чувствительность при низкой частоте в нормальной окружающей среде без токсичных газов и была обратимой при относительной влажности от 15% до 95% при низкой температуре. В другой работе [210] они исследовали влияние легирующих добавок, таких как оксид калия (K ₂ O), на Ba _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ , спеченный при 1250 ° C. Проводимость нового состава изменилась на целых четыре порядка на низкой частоте для того же диапазона относительной влажности, в то время как у нелегированного — примерно на три порядка.Микроструктуры легированных образцов, такие как открытая пористость и удельная поверхность, показали небольшое уменьшение по сравнению с микроструктурами чистых образцов BS.

В этих случаях датчики перовскитного типа в основном работают на основе электрических свойств, которые включают изменения сопротивления и емкости, связанные с колебаниями относительной влажности окружающей среды, поэтому их можно рассматривать как импедансные или емкостные керамические датчики [211–213]. Поскольку ионная проводимость сильно зависит от образования монослоя и мультислоя за счет физической адсорбции и капиллярной конденсации молекул водяного пара, то характеристики измерения влажности перовскитов во многом зависят от микроструктуры пленки или объемных сложных микроструктур, таких как удельная площадь поверхности, эффективная пористость. , объем и распределение пор по размерам.Соответственно, контроль микроструктуры пористых элементов в значительной степени определяет эффективность датчика [214]. Chang et al. показали, что характеристики влагопроводности и чувствительности перовскита титаната кальция, спеченного при различных температурах, сильно зависят от микроструктуры спеченной керамики [214]. Между тем сообщалось, что чувствительность этих структур к влаге зависит от микроструктуры поверхности раздела и состава материалов.В результате испытаний обнаружено, что Sr (Sn _0,5 , Ti _0,5 ) O ₃ быстро реагирует и работает независимо от температуры окружающей среды. Кроме того, керамика в этом исследовании была приготовлена ​​путем пропуска процесса обжига, и они были непосредственно спечены. Полученная керамика показала более высокую пористость, чем те, что были подвергнуты процессам прокалки [215]. Датчик влажности из нового титаната висмута-калия (Bi _0,5 K _0.5 TiO ₃ ) перовскит на серебряно-палладиевом электроде и подложке из оксида алюминия был изготовлен Zhang et al. [216]. Чувствительный порошок BKT был синтезирован химическим путем. В этом случае чувствительная паста была приготовлена ​​непосредственно путем смешивания порошка и деионизированной воды без какого-либо связующего или стадии отжига. Чтобы исследовать механизм восприятия датчика, он был подвергнут морфологическим и качественным фазовым характеристикам и дальнейшему исследованию измерения влажности в диапазоне от 11% до 95% относительной влажности.На основании результатов было заявлено, что датчик использует поверхностные взаимодействия, и изменения проводимости в основном связаны с ионными носителями заряда за счет прыжкового транспорта из-за высокой локальной плотности заряда. Датчик показал изменение импеданса примерно на четыре порядка для всего диапазона тестируемой относительной влажности и гистерезис около 3% относительной влажности.

Семейство перовскитов бария, например, BaTiO ₃ [217–220] или композиты из BaTiO ₃ и полимеров [221–223] с пористой структурой и различной рабочей температурой, привлекают значительную привлекательность для приложений измерения влажности.Viviani et al. изучали поведение пористого оксида молибдена бария (BaMO ₃ ) с составами M = Ti, Zr, Hf или Sn, полученного влажным химическим синтезом, при различных повышенных температурах в диапазоне от 1250 ° C до 1700 ° C. Образцы с более низкой температурой спекания и более высокой открытой пористостью показали увеличение как проводимости, так и емкости с увеличением диапазона влажности от 20% до 80% относительной влажности при комнатной температуре (25 ° C). Они сообщили, что самая высокая чувствительность была обнаружена у высокопористых образцов BaTiO ₃ , легированных добавкой 0.3 ат.% La. На основании результатов экспериментов они заявили, что датчик работает в соответствии с моделью поверхностной протонной проводимости [224]. В другом исследовании Hwang et al. электрические характеристики пористого BaTiO, легированного лантаном (La) ₃ , были изучены с помощью комплексной импедансной спектроскопии в зависимости от различных плотностей спеченного материала и условий влажности. Было обнаружено, что образцы с более низкой плотностью и более высоким удельным сопротивлением демонстрируют большую и почти линейную проводимость в ответ на изменение влажности [225].Wang et al. исследовал свойства сопротивления датчика влажности датчиков, изготовленных из нанокристаллического BaTiO ₃ , легированного щелочными карбонатными оксидами Li ₂ CO ₃ , Na ₂ CO ₃ и K ₂ CO ₃ 3 мас.% и нанокристаллические сенсоры BaTiO ₃ без легирования. Они заявили, что сопротивление датчика влажности может быть уменьшено до диапазона 1–10 ³ кОм путем добавления от 3 до 5 мас.% K ₂ CO ₃ или Na ₂ CO ₃ .Кроме того, они обнаружили, что добавление NaH ₂ PO ₄ к BaTiO ₃ может быть причиной уменьшения гистерезиса датчика влажности [226].

В последнее время одномерные датчики влажности из нановолокна на основе перовскита, полученные методом электроспиннинга, приобрели большое значение из-за более высокой эффективности, обусловленной большей площадью контакта поверхностных волокон и влажного воздуха. Различные виды перовскитных материалов, такие как нановолоконный титанат бария или титанат бария-стронция, были изучены для использования в приложениях для измерения влажности [227–229].Чтобы уменьшить петлю гистерезиса, Ванга и др. синтезировали нановолокна BaTiO ₃ методом электроспиннинга в качестве материалов для измерения влажности. Датчики влажности постоянного тока были изготовлены путем осаждения паст из нановолокон титаната бария (смеси порошка и деионизированной воды) на стеклянную подложку путем нанесения покрытия погружением на два различных электрода из алюминия и серебра после осаждения. При тестировании датчиков в диапазоне относительной влажности от 11% до 95% датчик на основе серебряного электрода показал более высокую чувствительность и более быстрое время отклика / восстановления, что может быть связано с более низким удельным сопротивлением металлического проводника.Общие результаты продемонстрировали превосходный потенциал нановолокон BaTiO ₃ для приложений измерения влажности [230]. Недавно Имран и др. предложили электроспряденные датчики влажности из титаната кадмия (CdTiO ₃ ) на основе одномерных нановолокон с пористой структурой. Сенсор из нановолокна состоял из трех слоев различных структур. В этой конструкции нановолокна CdTiO ₃ были нанесены методом фотолитографии на стеклянную подложку, и два алюминиевых электрода были помещены поверх этого с шириной зазора 25 мкм.Электрические характеристики датчика влажности были измерены экспериментально в диапазоне относительной влажности 40–90% при 25 ° C путем изменения частоты. Рабочие характеристики чувствительного устройства, такие как чувствительность и гистерезис, были значительно улучшены. Было измерено время быстрого отклика и восстановления, равное 4 и 6 с соответственно. Присутствие пористой наноструктуры и нановолокон с крошечным диаметром в чувствительной пленке являются одними из изучаемых параметров оптимизации [231].

Во многих структурах перовскита элементы группы II (щелочноземельные металлы), такие как Be, Mg, Ca, Sr, Ba и Ra, могут служить ионами металлов, которые используются в качестве гигроскопичных материалов для улучшения характеристик измерения влажности.В связи с этим, благодаря механизму проводимости большинства комплексов перовскита при взаимодействии с водой, они хорошо известны положительным ионным проводникам при комнатной температуре. Большинство оксидов перовскита синтезируются методами химического растворения, включающими смешивание и перемешивание, или реакциями в твердом состоянии путем прокаливания в массе смесей двух или более карбонатов и / или оксидов металлов [232].

5.2.2. Толстопленочные керамические датчики влажности

Толстопленочные керамические датчики влажности (TFT) были очень популярны для миниатюризации различных типов датчиков для интеграции в монолитные гибридные схемы [233, 234].Толстопленочная технология представляет собой ряд спецификаций, которые очень важны для понимания сенсоров. Преимущества толстопленочной технологии для развития материаловедения, сенсорных дорожных карт, миниатюризации и надежных продуктов обсуждаются в [235–239]. Включение наноразмерных смешанных оксидов металлов для конфигурации толстопленочного чувствительного слоя является одной из основных целей сегодняшних разработок, которые в настоящее время рассматриваются в дальнейшем.

Толстопленочные датчики влажности на основе ZnCr ₂ O ₄ -TiO ₂ (ZCT) керамические материалы были разработаны и произведены Golonka et al. [240]. Кроме того, они изучили различное влияние примесей, таких как Li ₂ O, B ₂ O ₃ и Si, а также влияние температуры спекания на характеристики пленок с помощью исследований эквивалентных схем с использованием импедансной спектроскопии. Толстопленочный датчик влажности, использующий новый ZCT, был так же хорош, как датчик MCT (MgCr ₂ O ₄ -TiO ₂ ), сделанный Nitta et al. [188]. Добавки Li ₂ O значительно снизили сопротивление датчика ZCT.

Примерно в середине 1990-х полупроводник типа p MnWO ₄ , легированный LiCl, привлек большое внимание для использования в качестве толстопленочного керамического чувствительного элемента [241–243]. По сообщению Qu, толстая пленка из пористого материала MnWO ₄ , интегрированная с встречно-штыревым платиновым электродом с обратной полярностью, полученная спеканием пленки на подложке из оксида алюминия, показала хороший линейный отклик на более 30% относительной влажности с коротким временем отклика 3 с и время восстановления около 15 с при комнатной температуре [244].Хлорид лития (LiCl) был использован в качестве усилителя адгезии вместо более традиционных стеклянных фритт для спекания MnWO ₄ , и, кроме того, позволил спекать пленку при более низкой температуре 850 ° C вместо 1300 ° C, используемых для спекания. чистая пленка MnWO ₄ . Следовательно, количество LiCl влияло на кривую отклика, а кривая отклика с 5% LiCl отличалась от других. Они сообщили, что большее количество примесей вводило больше ионов Li ⁺ , что приводило к меньшему сопротивлению для более низких диапазонов влажности.СЭМ-микрофотографии сенсора показали различные границы зерен и распределение пор материала по размерам в зависимости от концентрации примесей LiCl [242]. Согласно изображениям, полученным с помощью SEM, большое количество LiCl увеличивало плотность керамики и приводило к более высокому сопротивлению при высоких уровнях влажности из-за плохой адсорбции водяного пара. Основываясь на другой их работе [245] по морфологии тонких и толстопленочных сенсоров на основе оксида марганца и вольфрама, несмотря на короткое время отклика / восстановления, тонкие пленки были менее чувствительны, чем толстые пленки, в отношении отсутствия капиллярных структур пор.

Двухслойный керамический толстопленочный датчик влажности из феррита MnZn на основе структуры встречно-штыревых электродов был изготовлен и представлен Arshaka et al. [246]. Датчики были протестированы в диапазоне относительной влажности от 30% до 95% RH, и они предположили, что датчик использует комбинацию протонной проводимости (ионной) и высвобождения электронов (донорство электронов) в зону проводимости кислородными вакансиями. Датчики были спечены в двух различных условиях: воздух и вакуум.Датчик с воздушным обогревом показал наивысшую чувствительность 1,54% / относительная влажность% по сравнению с датчиком, изготовленным в условиях вакуума с чувствительностью 0,043% / относительной влажности%. В другой работе этих авторов с аналогичными материалами было подтверждено, что доминирующим механизмом проводимости является туннельный [247]. Был проанализирован механизм влагопроводности толстопленочных пористых слоев TiO ₂ anatasa (наночастиц ∼16 нм по данным XRD), изготовленных трафаретной печатью на стеклянной подложке, покрытой проводящим слоем SnO ₂ (толщиной ∼200 нм). по характеристике переменного тока (импедансная спектроскопия) из 2.От 3% до 60% относительной влажности при 24 ° C. На основании исследования импеданс состоял из двух частей, каждая из которых показывала зависимость от влажности: в низкочастотном диапазоне реагирует поляризация электрода, а на высоких частотах преобладает ионная проводимость (прыжки протонов). Кроме того, изменение проводимости при влажности на низкой частоте можно рассматривать как фундаментальную перколяционную теорию проводимости через перколяционные кластеры, образованные адсорбированными молекулами H ₂ O [248]. Толстопленочные датчики влажности резистивного типа на основе синтезированного BaTiO ₃ и встречно-штыревой структуры были изготовлены и исследованы Wagiran et al. [249]. Датчики были протестированы в диапазоне влажности от 20% до 95% относительной влажности и показали хорошую линейность и небольшой гистерезис с временем отклика и восстановления 7 с и 15 с, соответственно. Сопротивление сенсора было изменено на три порядка с 10 ⁷ до 10 ⁴ Ом, и механизм проводимости был идентифицирован как ионный внутри капилляров, в которых протоны были носителями заряда.

Толстопленочные датчики влажности на основе нанокиси циркония (ZrO ₂ ) на кремниевой подложке и размером зерна 20 нм были представлены Ван и др. [250]. Датчики были протестированы в диапазоне относительной влажности от 11% до 98%, а полное сопротивление было изменено на четыре порядка с 10 ⁶ до 10 ² Ом. Они сообщили, что в механизме проводимости в диапазонах низких значений RH в основном преобладает поляризация зерен, в то время как в более высоких диапазонах RH процесс происходит за счет диссоциации и поляризации молекул воды. Для включения в качестве чувствительного элемента в толстопленочный датчик влажности с трафаретной печатью керамический смешанный оксид наночастиц из Gd _0.2 Ce _0,8 O _2-δ (GCO) был синтезирован Hao и соавторами [251]. Датчик состоял из GCO в качестве верхнего слоя, напечатанного на паре встречно-штыревых электродов на керамической подложке. Датчик характеризовался диапазоном относительной влажности 10–98% и различными частотными диапазонами от 20 Гц до 100 кГц. В результате импеданс изменился на пять порядков при относительной влажности от 30% до 98%, и в указанном диапазоне относительной влажности наблюдалась приемлемая логарифмическая линейность в области низких частот (20 Гц – 1 кГц).Кроме того, датчик показал чрезвычайно низкое время отклика и восстановления, 40 с и 210 с, соответственно, что может быть связано с конструкцией конструкции датчика. Основываясь на значительном изменении проводимости GCO при высокой относительной влажности из-за переноса водорода, было сообщено, что его чувствительный механизм является более совершенным ионным типом.

Свойства чувствительности к влажности мезопористых композитов ZnO-SiO ₂ , синтезированных золь-гель методами и изготовленных из пленок с трафаретной печатью с различным молярным соотношением Si / Zn, были исследованы Юань и его коллегами [252].При оценке датчиков в диапазоне от 11% до 95% относительной влажности было выявлено, что введение ZnO улучшает чувствительность композитов к влажности, и образец с соотношением Si / Zn 1: 1 показал наиболее многообещающие результаты среди других. . Импеданс датчиков изменился более чем на четыре порядка во всем диапазоне относительной влажности, также наблюдался низкий гистерезис. Датчик также показал немного высокое время отклика и восстановления, около 50 с и 100 с, соответственно. Анализ данных РФЭС показал, что связи Si – O – Zn существуют в композитах ZnO-SiO ₂ , а датчик использует механизм протонной проводимости.Авторы сообщили о чувствительности к водяному пару композита ZnO-SiO ₂ (1: 1), а также мезопористого SBA-15, легированного литием [253]. Преимущество использования ZnO вместо LiCl в качестве составной части состоит в снижении или устранении растворимости в воде, и, таким образом, достигается более длительная стабильность. LiCl — гидрофильный материал, и длительное воздействие влаги может привести к ухудшению его свойств [254]. Позже был создан толстопленочный датчик влажности импедансного типа из мезопористого оксида железа / диоксида кремния (Fe ₂ O ₃ / SiO ₂ ) композитов (Fe / Si с молярным отношением r = 0.5) был впервые изготовлен Юань и др. [255]. Чувствительные элементы были синтезированы гидротермальным путем. Этот датчик показал более быстрое время отклика и восстановления — 20 с и 40 с соответственно, а также отличную линейность. На основе комплексного анализа импеданса, механизм считывания был оценен как связанный с переносом водорода (перескок протонов) при относительной влажности от низкой до высокой. Кроме того, в этом исследовании сообщалось, что отличные характеристики датчика влажности объясняются свойствами микроструктуры, полученными в результате сорбции газа N ₂ и HRTEM, такими как высокая площадь поверхности по БЭТ с большим объемом пор и высокоупорядоченная пористая структура.

Gusmano et al. показал, что электрические отклики датчиков влажности MgFe ₂ O ₄ , напечатанных методом трафаретной печати, хорошо коррелируют с их микроструктурой [256]. Датчики были охарактеризованы с помощью методов EDS, SEM и спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), и было обнаружено, что материал является подходящим кандидатом для определения влажности. Как показали измерения постоянного тока, проводимость толстопленочного сенсора MgFe ₂ O ₄ происходила через электронные носители при низкой влажности, когда покрытие поверхности оксида молекулами воды не было завершено.При высоких значениях RH как ионы, так и электроны отвечают за проводимость, а ионы являются основными переносчиками. На основе поверхностной адсорбции и капиллярной конденсации были сконструированы и разработаны другие толстопленочные сенсоры влажности, такие как толстая пленка из диоксида титана, изготовленная методом низкоскоростного центрифугирования [257], или толстые пленки на основе нанокристаллического цинка и вольфрама [258].

5.2.3. Керамические датчики влажности с добавлением катализатора

Существует множество работ, в которых описываются свойства чувствительной керамики в виде как датчиков, обрабатываемых в массе [259–262], так и толстопленочных датчиков влажности [263–266], изготовленных из различных композиций, содержащих многофазные добавки и присадки.Введение небольших количеств легирующих ионов оказывает желаемое влияние на керамические датчики влажности. Ямазо предположил, что ионы щелочных металлов или других примесей могут действовать как доминирующие носители заряда вместо протонов и, таким образом, приводить к созданию устройств с более высокой чувствительностью к влажности [47]. Добавление 1 мол.% MgO или CrO _1,5 и FeO _1,5 к ZrO ₂ -TiO ₂ повысило его проводимость и чувствительность в диапазоне влажности 20–90% относительной влажности [267]. В другом случае добавление 2 мол.% K ⁺ , Li ⁺ или Na ⁺ к малочувствительному MgFe ₂ O ₄ [47] и 1 мол.% K ⁺ к NiWO ₄ , ZnWO ₄ и MgWO ₄ [268] привели к улучшению их чувствительности к влажности.В случае ZnCr ₂ O ₄ LiZnVO ₄ , гидратированные ионы Li ⁺ , по-видимому, вносят вклад в перенос заряда и повышенную чувствительность к влажности [47]. Катаяма исследовал влияние 0, 1, 2, 5 и 10 мол.% Оксидов щелочноземельных металлов Li, Na и K на чувствительность к влажности Nb ₂ O ₅ -легированный TiO ₂ и другие. [269]. Примеси легирующих примесей влияли на чувствительность к влаге, а также на микроструктуру поверхности, однако среди легирующих добавок K ₂ O с размером пор менее 0.01 мкм сильно повлияло на такие характеристики сенсора, как чувствительность и время отклика.

Добавление щелочных оксидов Na ₂ O и K ₂ O (5, 10, 20 мас.%) К MgCr ₂ O ₄ -TiO ₂ , помогает уменьшить размер пор распределения, тем самым улучшая его характеристики измерения влажности при различных уровнях относительной влажности [270]. Joanni et al. исследовали добавление Li ₂ O к керамическим сенсорам ZnO, которое привело к повышению чувствительности и долговременной стабильности, а также к снижению удельного сопротивления и гистерезиса.Они указали, что легирующие примеси Li ₂ O могут играть роль спекающих агентов или жидких стеклообразных фаз [271]. Кроме того, добавки Li ₂ O усиливали влияние материалов электродов на электрические свойства при воздействии различных уровней влажности [272]. В более новой работе были исследованы электрические и влагочувствительные свойства при постоянном токе смесей оксида хрома (III) (Cr ₂ O ₃ ) и оксида вольфрама (VI) (WO ₃ ) с различными мольными отношениями.На основании структурных и газосорбционных исследований было обнаружено, что композиты имеют радиус пор от 1 до 4,5 нм, что указывает на наличие микро- и мезопористости и пригодность для приложений измерения влажности. При исследовании датчиков в диапазоне 5–98% относительной влажности при комнатной температуре (25 ° C) образец COWO-14 (CO: WO с мольным соотношением 1: 4) показал самый высокий коэффициент чувствительности к влажности. [273].

Эффекты ионов щелочноземельных металлов из группы II также были подчеркнуты и исследованы на керамических сенсорах.Чувствительные к влажности, морфологические, структурные и газосорбционные свойства легированных стронцием (II) (в молярных соотношениях 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1) композитов шпинели , т.е. , оксид алюминия (CoAl ₂ O ₄ ), оксид алюминия (ZnAl ₂ O ₄ ) и оксид алюминия бария (BaAl ₂ O ₄ ) были изучены Виджая и его коллегами. Все композиты были приготовлены методом золь-гель и сформированы обычной объемной обработкой. Точно так же все образцы были обожжены при одинаковых условиях при 900 ° C в течение пяти часов, а электрические свойства постоянного тока характеризовались при относительной влажности в диапазоне от 5% до 98% относительной влажности.В общем результате всех экспериментов добавление Sr, а также увеличение его молярного отношения привели к увеличению фактора чувствительности. Наибольшая чувствительность наблюдалась для композитов, состоящих из 0,8 мол.% Стронция в CoAl ₂ O ₄ , ZnAl ₂ O ₄ и BaAl ₂ O ₄ , тогда как нелегированные композиты обладали наименьшей чувствительностью. . Во всех трех экспериментах упомянутые высокочувствительные образцы показали время отклика и восстановления от 120 до 50 с [274–276].Влагочувствительные свойства низкотемпературных спеченных таблеток оксида вольфрама с добавлением серебра (с добавлением 0–4 мас.% Ag) были исследованы в диапазоне относительной влажности от 20% до 90%. Было обнаружено, что концентрация пустот и коэффициент чувствительности увеличиваются с увеличением концентрации Ag. Таким образом, чувствительный элемент WO ₃ , легированный 4% Ag, показал максимальную чувствительность (2,38 МОм /% относительной влажности), тогда как чистый образец WO ₃ показал наименьшую чувствительность (2,11 МОм /% относительной влажности). На основании результатов было объявлено, что механизм проводимости является электронным, а хемосорбция воды на узлах решетки WO ₃ — по двухступенчатому механизму [277].Недавнее исследование чувствительности к влажности нанопорошков маггемита, легированного литием (легированный литием γ-Fe ₂ O ₃ ), показало, что добавление лития полезно для снижения импеданса в областях с низкой относительной влажностью. Кроме того, добавление Li с концентрацией 0,45 мол.% Показало оптимальные характеристики с более линейным откликом. В сенсорах на основе этих композитов используется механизм действия протонного типа [278].

Согласно недавно разработанным толстопленочным датчикам влажности, влияние ионов щелочных металлов также исследовалось в толстопленочных датчиках.Добавление Na ₂ O к чувствительному к влажности TiO ₂ -Cu ₂ O толстых пленок, напечатанных методом трафаретной печати, привело к снижению температуры спекания и дальнейшему росту зерна. Желательные свойства микроструктуры пленок для приложений измерения влажности, такие как большая площадь поверхности и пористость, были достигнуты путем добавления некоторого количества оксида натрия. Датчики показали изменение сопротивления на три порядка между 20% и 95% относительной влажности, как обычный датчик влажности [279]. Songa et al.Компания представила быстрый, простой и надежный датчик влажности с толстопленочной печатью на основе нановолокон SnO, легированных хлоридом калия (KCl). ₂ основан на встречно-штыревой структуре. Датчик показал очень низкий гистерезис, быстрое и очень близкое время отклика / восстановления, 5 с и 6 с, соответственно, для диапазона от 11% до 95% относительной влажности. Они утверждали, что импеданс датчиков был изменен более чем на пять порядков для этого диапазона относительной влажности [280].

5.2.4. Легированные и нелегированные полупроводниковые тонкопленочные датчики влажности

Тонкопленочные датчики влажности на основе керамики демонстрируют благоприятные особенности микроструктуры, а также более высокую химическую стойкость и механическую прочность, чем полимерные датчики.Некоторые недостатки пленок, напыленных методом PVD, такие как сложность контроля микроструктуры пленки, которая может еще больше ухудшиться и быть вызвана наличием точечных отверстий, привели к рассмотрению методов осаждения CVD с интересом к использованию золь-гель метод изготовления керамических сенсоров влажности [281]. Этот метод считается экономически эффективным способом обработки, который позволяет синтезировать тонкие керамические пленки с наноструктурой высокой чистоты с контролируемой однородной микроструктурой и дополнительно уменьшает общий размер сенсоров.Метод также применялся для приготовления аморфных стеклообразных тонкопленочных систем [282,283].

Тонкопленочный TiO ₂ -K ₂ O-LiZnVO _{4 Керамические датчики влажности} были изготовлены золь-гель методом с различным молярным соотношением прекурсоров. Добавление калиевой щелочи и стеклянной фазы к рутиловой фазе TiO ₂ привело к превосходным линейным характеристикам кривых сопротивления и емкости в диапазоне относительной влажности от 10% до 99% при низких значениях частоты [284].Тонкопленочные датчики влажности In ₂ O ₃ / SiO с различным составом SiO (от 5% до 45%) были разработаны Arshak et al. с использованием вакуума от низкого до высокого. Результаты показали, что 85% In ₂ O ₃ /15% SiO, изготовленные при давлении вакуума 2 × 10 ^-4 мбар, перспективны для использования в качестве датчика влажности [285]. В другом месте авторы указали, что добавление 20 мас.% TiO ₂ к тонким пленкам SnO ₂ показало наивысшую чувствительность и изменение на три порядка величины при относительной влажности от 20% до 90% [286].

Кроме того, в области тонкопленочных керамических датчиков влажности опубликовано много работ, основанных на использовании наноразмерного оксида цинка или ZnO, легированного другими сплавами и химическими веществами [287]. Тонкопленочные датчики влажности из легированного алюминием оксида цинка с вращающимся покрытием были изготовлены Sin и др. . Чувствительные элементы были изготовлены золь-гель методом. При увеличении концентрации примеси длина наностержней и сила тока увеличивались, поэтому датчик содержал 0.ZnO, легированный алюминием с концентрацией 6 ат.%, Показал наивысшую чувствительность в диапазоне влажности 40–90% относительной влажности [288]. Датчики влажности с вращающимся покрытием на основе тонких пленок ZnO были изготовлены на кремниевой подложке Хсу и его сотрудниками и выращены методом твердого пара (VS) при различных температурах от 400 до 700 ° C. Результаты показали, что пленки, выращенные при температуре 700 ° C, были наиболее чувствительными образцами. Упомянутые датчики показали изменение сопротивления более 10 ⁴ раз в диапазоне относительной влажности от 11% до 95% при комнатной температуре [289].

Существуют дальнейшие усовершенствованные работы, которые реализовали эти типы датчиков влажности на основе методов распыления. Тонкопленочный датчик влажности из наноструктурированного оксида цинка с поликристаллической фазой был получен методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе. Результаты импедансной спектроскопии пленки указывают на дефекты решетки, поэтому кислородные вакансии способствуют скорости адсорбции водяного пара. Изучив характеристики датчиков в диапазоне относительной влажности от 6,3% до 84%, было видно, что сопротивление изменилось почти на четыре порядка, и устройство показало очень быстрый отклик и время восстановления 3 с и 12 с, соответственно [290].Micro ZnO-In ₂ O ₃ тонкопленочных сенсоров влажности были получены радиочастотным распылением на основе встречно-гребенчатой ​​электродной структуры (послойное напыление ZnO и In ₂ O ₃ прекурсоров с тем же временем осаждения и разное количество слоев). Образец, полученный путем двухкратного нанесения ZnO и однократного нанесения In ₂ O ₃ , показал наилучшие характеристики, определяемые по изменению общего импеданса более чем на четыре порядка по относительной влажности от 11% до 95%.Это объяснялось тем фактом, что улучшенное поведение при измерении влажности было связано с гетеропереходами между пленками ZnO и In ₂ O ₃ . Время отклика сенсора и время восстановления составили около 15 и 40 с соответственно [291].

Нанопористая тонкая пленка TiO ₂ -10 мол.% SnO ₂ , совместно легированная 0,3 мол.% La ³⁺ и 50 мол.% Щелочного металла (K ⁺ ), описана Anbia et al. al . Они обнаружили, что добавление ионов редкоземельных металлов La ³⁺ , ионов K ⁺ и сополимера Плюроника улучшило чувствительность образцов к влажности за счет изменения импеданса с 10 ⁹ до 10 ⁴ Ом и показало отличные результаты. линейность при комнатной температуре [292,293].В другой работе 0,5 мас.% La ³⁺ / Ce ³⁺ добавок на TiO ₂ -20 мас.% SnO ₂ тонкая пленка, спеченная при низкой температуре 500 ° C, привела к Полное сопротивление уменьшается на пять порядков с 10 ⁹ до 10 ⁴ Ом для диапазона влажности от 15% до 95% относительной влажности [294].

Наноструктурированный ZnSnO ₃ был синтезирован методом химического осаждения с использованием химикатов класса AR ZnO и SnO ₂ . Для исследований материалов с оптическим зондированием влажности использовалась техника нанесения покрытия методом золь-гель методом центрифугирования для нанесения однородной тонкой пленки химического раствора.На основании рентгенограмм было обнаружено, что ZnSnO ₃ имеет кристаллическую фазу перовскита и орторомбическую структуру с минимальным размером кристаллитов 4 нм. Результаты показали, что отожженные гранулы ZnSnO ₃ с массовым соотношением 1: 4 были наиболее чувствительными образцами (максимальная чувствительность 3 ГОм / относительная влажность%) по сравнению с влажностью по сравнению с чистым SnO ₂ с теми же условиями характеристики [295] .

Недавно мезопористый композит SnO ₂ -SiO ₂ был синтезирован с помощью однореакторного золь-гелевого метода.Тонкопленочные датчики влажности были изготовлены путем погружения микровесов с кристаллами кварца (QCM) в растворы для покрытия. Воздействуя на ККМ, покрытые тонкими пленками SnO ₂ -SiO ₂ , относительной влажности в диапазоне от 11% до 96,1% при комнатной температуре, датчик с атомным соотношением Sn / Si 1: 1 показал лучшую влажность. чувствительность, включая подходящую чувствительность и низкий гистерезис. Время отклика сенсора и время восстановления составили около 14 и 16 с соответственно [296].

5.2.5. Влияние легирования на свойства перовскита по измерению влажности

ABX ₃ — это общая структура оксидных материалов перовскитного типа. Незначительное изменение общей структуры участков металлов A или B может способствовать улучшенному восприятию влажности получаемого соединения при различных диапазонах относительной влажности с разными компонентами. Есть несколько недавних работ, в которых исследовалось влияние дополнительных ионов или замещения различных оксидов в различных участках перовскитовой керамики на влагочувствительность [297, 298].На основе недавно разработанных толстопленочных датчиков влажности ряд работ в последнее время был сосредоточен на синтезе композитов для изготовления легированных толстопленочных продуктов [299,300].

Влажно-проводимость легированного K ₂ O (Ba _0,5 , Sr _0,5 ) TiO ₃ показала, что изменение проводимости легированных образцов на порядок больше, чем у нелегированных материалов [301] . Характеристики измерения влажности нелегированного, легированного CaO и MgO (Ba _0.5 , Sr _0,5 ) TiO ₃ в массивной форме и толстые твердотельные датчики были исследованы Slunecko et al. [302,303]. В результате для объемной керамики зависимость влагопроводности легированных образцов была изменена на четыре порядка, в то время как изменения на три порядка были измерены для нелегированных образцов в диапазоне влажности 10–90% относительной влажности и частоте 400 Гц. . На микроструктуру материалов BST, такие как пористость и плотность, влияли легирующие примеси CaO и MgO.Открытая пористость с 47% для нелегированных материалов уменьшилась до 39% для MgO и 36% для CaO, и соответственно увеличилась плотность. Изменение проводимости по сравнению с RH для толстопленочных сенсоров было на порядок меньше из-за снижения чувствительности ниже 40% RH. Авторы отмечают, что это связано с недостатком пор диаметром менее 300 A. Позже толстопленочные датчики влажности нанокристаллического Ba _{1 − x} Sr _x TiO ₃ (x от 0 до 1 с шагом 0.2) были синтезированы методом геля стеариновой кислоты Ли с сотрудниками [304]. Тестируя датчики в диапазоне влажности от 11% до 98% относительной влажности, авторы сообщили, что эти толстые нанокристаллические пленки показали более низкое удельное сопротивление, чем те, которые сделаны из обычных композитов, и, следовательно, могут иметь хорошие перспективы применения для измерения влажности. Более того, простота и экономичность считались преимуществами этого метода по сравнению с обычным золь-гель методом.

В других работах a Ba _0.6 Sr _0,4 TiO ₃ -MgTiO _{Композиционная керамика} была приготовлена ​​из BST и предшественников хлорида магния (MgCl ₂ ). Расплав соли MgCl ₂ добавляли к BST в качестве легирующего агента для катализатора измерения влажности. Спеченные компаунды были охарактеризованы в диапазоне влажности 5–92% RH, что привело к снижению удельного сопротивления постоянному току на пять порядков и хорошей чувствительности к влажности [305]. Свойства измерения влажности и механизм проводимости толстопленочного датчика влажности резистивного типа на основе нанокристаллического оксида феррита кобальта лантана, легированного калием (K ⁺ ) (LaCo _0.3 Fe _0,7 O ₃ ) были оценены в диапазоне от 11% до 95% относительной влажности. Электрические характеристики постоянного и переменного тока подтвердили, что электроны, протоны, катионы (ионы H ⁺ и K ⁺ ), а также молекулярная поляризация ответственны за перенос заряда в различных диапазонах влажности [306]. В более новой работе оценивалось влияние замещения разными ионами в A-узле. Свойства электрической чувствительности к влажности ионов никеля, замещающих ионы бария в пористом оксиде бария и олова (Ba _{1 − x} Ni _x SnO ₃ , x = 0, 0.1, 0.2 и 0.5) были изучены Дорофтей и др. . Образцы однофазных таблеток (чистый BS и замещение никеля x = 0,1) были чувствительны к влажности в пределах 22% и 75% относительной влажности, тогда как образцы, содержащие вторичную фазу (x> 0,1), были чувствительны к более высоким диапазонам влажности (22–98%). RH ;. Для образца Ba _0,5 Ni _0,5 SnO ₃ (x = 0,5) сопротивление изменилось более чем на четыре порядка и показало самый быстрый отклик среди других. может быть связано с тонкой наноструктурой (~ 250 нм) и наличием большего объема открытых пор (47%) [307].

5.3. Датчики влажности из органических / неорганических гибридных композитов (полимер / керамика)

В последние годы наблюдается рост использования и эволюции композитов, изготовленных из органических / неорганических веществ для приложений измерения влажности. Способы получения дают возможность получения множества потенциальных соединений, которые позволяют синтезировать и создавать основу для чувствительных к наноструктурам пленок / конденсированных таблеток [308–310]. Наночастицы (НЧ) вызвали большой интерес из-за их заметных химических, физических, магнитных, электронных и механических свойств, в дополнение к их каталитической активности в объеме / поверхности и возможному использованию в приложениях электрохимического зондирования, например.г., датчики влажности и газа. Преимущества и недостатки органических полимеров и керамики для измерения влажности были описаны в последних разделах.

Так как одним из уникальных свойств керамических систем является сильная связь химической и физической адсорбции молекул водяного пара со свойствами поверхности, то в керамических сенсорах чувствительность и время отклика в основном определяются морфологией поверхности, объемом пор и т.д. распределение формы и размера.Кроме того, хорошие механические свойства считаются особыми свойствами керамики. Сообщается, что проблема керамических датчиков влажности заключается в необходимости периодического нагрева для удаления загрязняющих веществ, таких как пыль и масла [46]. Однако большинство керамических сенсоров ионного типа были разработаны без какого-либо нагревателя и работают при комнатной температуре. Другой момент, который следует учитывать при изготовлении керамики, чувствительной к влажности, — это разумный выбор температуры обжига, чтобы получить оптимальное взаимодействие водяного пара и шейки зерен [311].

Полимерные чувствительные материалы были должным образом изучены как объемные / пленочные датчики влажности в отношении изменений их удельной электропроводности или диэлектрической проницаемости при взаимодействии с H ₂ O при комнатной температуре в качестве резистивных или емкостных устройств. Датчики на основе органических полимеров обычно обеспечивают рентабельность, простоту подготовки и обработки, разнообразие вариантов выбора и приемлемую чувствительность, хотя они страдают от длительного дрейфа / стабильности, низкой водостойкости и точности, особенно при высокой влажности, ограничением работы в суровых условиях. и химическая среда, и слабая адгезия к полимерным субстратам, и поэтому показывают медленное время отклика и короткие сроки хранения.Кроме того, эти датчики не могут работать в условиях высоких температур.

Принимая во внимание вышеупомянутые проблемы, универсально подходящим может быть гибридный первичный элемент. В последнее время большое внимание уделяется органическим / неорганическим соединениям, и они классифицируются как новая группа чувствительных элементов. Эта популярность является результатом их улучшенных свойств, поскольку они обладают превосходными характеристиками обеих групп. Органические / неорганические гибриды можно разделить на пять групп: металл / полимер, неорганическая соль или кислота / полимер, соль или кислота / оксид металла, металл / оксид металла / полимер и оксид металла / полимер [312–316].Первые четыре группы ранее обсуждались в Разделе 5.1. В этом разделе будут описаны исключительно гибридные композиты оксид металла / полимер с некоторыми примерами.

Чтобы изучить влияние чувствительности к влажности оксида вольфрама (10, 20, 30, 40 и 50 мас.%) На полианилиновые проводящие полимеры, такие материалы были синтезированы методом интенсивного перемешивания Parvatikar et al. [317]. Из рентгенограммы видно, что сформированный композит указывает на кристаллическую природу из-за наблюдаемого триклинного пика WO ₃ .Образцы гранул PANI / WO ₃ (50 мас.% WO ₃ в PANI) были протестированы при относительной влажности от 10% до 95% и показали линейный отклик даже при низкой влажности. Тандан и др. синтезировал нанокомпозиты оксид железа-полипиррол (Fe ₃ O ₄ -PPY) с образованием полимеризованного раствора с использованием метода эмульсионной полимеризации путем интенсивного перемешивания и исследовал их как материалы, чувствительные к влажности [318]. На структуру соединения, поведение чувствительности и значение проводимости сильно повлияло количество PPY, и полученные полимерные композиты показали более низкое удельное сопротивление по сравнению с чистым PPY, что соответствовало критериям чувствительности к влажности.

Новые керамические / полимерные (наночастицы TiO ₂ / полипиррол) и керамические / полимерные / неорганические кристаллические соли (наночастицы TiO ₂ / полипиррол / поли- [3- (метакриламино) пропил] триметиламмонийхлорид) резистивные датчики влажности. изготовлено Su et al. из композитных тонких пленок на гибкой полиэфирной подложке через in situ фотополимеризацией прекурсоров [309]. Для повышения чувствительности композита и гибкости пленки на подложке к тонким пленкам композита TiO ₂ NPs / PPy добавляли PMAPTAC.Путем определения характеристик датчиков при относительной влажности от 30% до 90% было обнаружено, что датчики, изготовленные из тонких композитных пленок TiO ₂ NPs / PPy / PMAPTAC, показали наивысшую чувствительность, наименьший гистерезис и наибольшую линейность. В более новой работе Sun et al. гибридная композиция неорганическая / полимерная чувствительная к влаге пористая тонкая пленка титаната и натриевой соли полистиролсульфоновой кислоты (TiO ₂ / NaPSS) была изготовлена ​​методом нанесения покрытия погружением на подложку из оксида алюминия [319].Тестируя датчики в различных диапазонах относительной влажности (11–95% относительной влажности), они обнаружили следующие преимущества: гибридные пленки TiO ₂ / NaPSS показали более высокую чувствительность, лучшую линейность и более быстрое время отклика / восстановления в целом. диапазоны RH и, кроме того, неорганический компонент (TiO ₂ ) может легко распределяться в композитной пленке с узкой характеристикой гистерезиса. Большинство этих композитов демонстрируют улучшенные характеристики чувствительности к влажности, а не нелегированные полимеры.Высокая механическая прочность, водонепроницаемость, более быстрое время отклика, меньший размер частиц и уменьшенный гистерезис являются одними из ключевых улучшений.

Вкратце можно сделать вывод, что большинство сенсоров, упомянутых в этом разделе, включая керамические и гибридные сенсоры, одновременно обладают как ионными, так и электронными механизмами проводимости. Таким образом, проводимость как для ионов, так и для электронов (причем ионы являются преобладающими переносчиками) ответственна в условиях атмосферы с высокой влажностью, в то время как в среде с низкой влажностью преобладающими носителями заряда являются электроны [320].Поэтому в настоящее время общепризнанным механизмом обнаружения при комнатной температуре является электронно-ионный тип. Влажность может быть последовательной в разных регионах:

• —

  При низких уровнях относительной влажности электронная проводимость, основанная на донорстве электронов от молекул воды, является доминирующим ответственным механизмом.

• —

  При средних уровнях относительной влажности, в зависимости от количества физадсорбированных слоев в разных интервалах, поэтому электростатические поля возникают из-за первого хемосорбированного слоя, и электронная, и ионная проводимость ответственны за преобладающий переход от электронной к ионной проводимости. механизм.

• —

  При высоких уровнях относительной влажности ионная проводимость, основанная на прыжках протонов между молекулами воды, является доминирующим ответственным механизмом.

Что такое датчик влажности?

Датчик влажности — это электронное устройство, которое измеряет влажность окружающей среды и преобразует полученные данные в соответствующий электрический сигнал. Датчики влажности сильно различаются по размеру и функциональности; некоторые датчики влажности можно найти в портативных устройствах (например, смартфонах), а другие интегрированы в более крупные встроенные системы (например, системы мониторинга качества воздуха).Датчики влажности обычно используются в метеорологии, медицине, автомобилестроении, HVAC и обрабатывающей промышленности.

влажности можно разделить на две группы, поскольку в каждой категории используются разные методы расчета влажности: датчики относительной влажности (RH) и датчики абсолютной влажности (AH). Относительная влажность рассчитывается путем сравнения показаний реальной влажности при заданной температуре с максимальной влажностью воздуха при той же температуре. Поэтому датчики относительной влажности должны измерять температуру, чтобы определять относительную влажность.Напротив, абсолютная влажность измеряется без привязки к температуре.

Двумя наиболее распространенными датчиками относительной влажности являются емкостные и резистивные датчики влажности. Емкостные датчики используют два электрода для контроля емкости (то есть способности накапливать электрический заряд) тонкой металлической полосы, помещенной между ними. Емкость металла увеличивается или уменьшается со скоростью, которая прямо пропорциональна изменению влажности в окружающей среде датчика. Разница в заряде (напряжении), возникающая при повышении влажности, затем усиливается и отправляется на встроенный компьютер для обработки.Резистивные датчики влажности работают по другому принципу. В этих датчиках используется небольшая полимерная гребенка, размер которой увеличивается и уменьшается при изменении влажности, что напрямую влияет на способность системы накапливать заряд.

Температурные датчики влажности используются для измерения абсолютной влажности. В отличие от датчиков относительной влажности, датчики тепловой влажности используют два датчика: один для измерения содержания сухого азота, а другой — для измерения воздуха в окружающей среде. Когда влажность собирается на экспонированном датчике, датчик воспринимает разницу в теплопроводности и рассчитывает AH.