电子功能材料与元器件：第五章 湿度敏感器件

1、LOGO 湿敏元件制备及特性测试湿敏元件制备及特性测试 第五章 湿度敏感器件 LOGO （一）感湿膜材料制备（一）感湿膜材料制备 本本实验所用的感湿材料是国产的疏水性甲基丙烯酸丁酯实验所用的感湿材料是国产的疏水性甲基丙烯酸丁酯 （BuBu），亲水性甲基丙烯酰羟乙），亲水性甲基丙烯酰羟乙基基- -三三甲基氯化胺（甲基氯化胺（QbQb）以）以 不同的比例进行合成反应，合成时用（不同的比例进行合成反应，合成时用（BuBu）溶解引发剂过氧）溶解引发剂过氧 化苯甲酸（化苯甲酸（BPoBPo）向（）向（BuBu）溶液中加入适量的丙烯酸羟乙酯）溶液中加入适量的丙烯酸羟乙酯 （QcQc）作为交联剂。经过充分的

2、合成反应便可制得所需的高）作为交联剂。经过充分的合成反应便可制得所需的高 分子湿敏材料。分子湿敏材料。 一、湿敏元件的制作一、湿敏元件的制作 LOGO 图图 元件制作工艺流程图元件制作工艺流程图 二、元件制作二、元件制作 LOGO 二、元件二、元件制作制作 图图电阻电阻型湿敏元件的结构示意图及湿敏元件实物图型湿敏元件的结构示意图及湿敏元件实物图 LOGO 湿度标准及发生装置的介绍湿度标准及发生装置的介绍 v湿度发生装置是指能在一定有限的空间中，湿度发生装置是指能在一定有限的空间中， 定量地产生某一湿度的装置。它是研究与定量地产生某一湿度的装置。它是研究与 湿度有关问题时必须具备的实验设备。目湿

3、度有关问题时必须具备的实验设备。目 前，湿度发生装置有各种各样，一般都比前，湿度发生装置有各种各样，一般都比 较昂贵。利用饱和盐法产生湿度源是较为较昂贵。利用饱和盐法产生湿度源是较为 经济的手段，只要掌握其使用条件，可以经济的手段，只要掌握其使用条件，可以 达到较高的精度。达到较高的精度。 LOGO 饱和盐溶液标准相对湿度饱和盐溶液标准相对湿度 （国际建议）（国际建议） v（1 1）定义）定义 v饱和盐溶液标准相对湿度表是以相对湿度饱和盐溶液标准相对湿度表是以相对湿度 固定点的形式用于产生湿度标准的。这些固定点的形式用于产生湿度标准的。这些 相对湿度固定点代表一定温度下不同饱和相对湿度固定点代

4、表一定温度下不同饱和 盐溶液的恒湿性。盐溶液的恒湿性。 v恒湿溶液是指特定盐的饱和溶液，该饱和恒湿溶液是指特定盐的饱和溶液，该饱和 溶液在特定的温度和压力下，保持三相热溶液在特定的温度和压力下，保持三相热 力学平衡。由恒湿溶液复现的物理量是在力学平衡。由恒湿溶液复现的物理量是在 给定的温度和压力下的饱和盐溶液上方空给定的温度和压力下的饱和盐溶液上方空 气的相对湿度值。气的相对湿度值。 LOGO （2 2）饱和盐溶液的使用条件）饱和盐溶液的使用条件 v恒湿溶液在下列标准条件下复现相对湿度值：恒湿溶液在下列标准条件下复现相对湿度值： v、溶液上方水蒸气和混合物的总压接近标、溶液上方水蒸气和混合物的

5、总压接近标 准大气压准大气压101325Pa101325Pa； v、固体、液体（溶液）和气体（空气和水、固体、液体（溶液）和气体（空气和水 蒸气混合物）存在热力学平衡；蒸气混合物）存在热力学平衡； v、溶液处于适当的温度下；、溶液处于适当的温度下； v由于相对湿度与温度密切相关，恒湿溶液对由于相对湿度与温度密切相关，恒湿溶液对 温度稳定性有一定的要求。必须提供一些条温度稳定性有一定的要求。必须提供一些条 件避免温度的骤变，也要避免从一个工作场件避免温度的骤变，也要避免从一个工作场 所到另一个工作场所的温差。所到另一个工作场所的温差。 LOGO (3)(3)恒湿溶液恒湿溶液 v恒湿溶液是由一组恒

6、湿溶液是由一组1111个湿度固定点（个湿度固定点（HFPHFP） 组成的，饱和盐溶液标准相对湿度值借助组成的，饱和盐溶液标准相对湿度值借助 于于1111种饱和盐获得。标准相对湿度值在温种饱和盐获得。标准相对湿度值在温 度度2020以下，其范围大致从以下，其范围大致从4%RH4%RH到到98%RH98%RH。 LOGO 表表1. 1. 标准相对湿度值由以下无机盐溶液组成标准相对湿度值由以下无机盐溶液组成 HFP4HFP4氟化铯氟化铯CsFCsF温度从温度从1515至至8080 HFP7HFP7溴化锂溴化锂LiBrLiBr温度从温度从55至至8080 HFP11HFP11氯化锂氯化锂LiClLiC

7、l温度从温度从55至至8080 HFP23HFP23醋酸钾醋酸钾CHCH3 3COOKCOOK温度从温度从1010至至3030 HFP33HFP33氯化镁氯化镁MgClMgCl2 2温度从温度从55至至8080 HFP43HFP43碳酸钾碳酸钾 K K2 2COCO3 3温度从温度从55至至3030 HFP59HFP59溴化钠溴化钠NaBrNaBr温度从温度从55至至8080 HFP70HFP70碘化钾碘化钾KIKI温度从温度从55至至8080 HFP75HFP75氯化钠氯化钠NaClNaCl温度从温度从55至至8080 HFP85HFP85氯化钾氯化钾KClKCl温度从温度从55至至8080

8、 HFP98HFP98硫酸钾硫酸钾K K2 2SOSO4 4温度从温度从55至至5050 HFP：在给定温度点，饱和盐溶液上方的相对湿度值：在给定温度点，饱和盐溶液上方的相对湿度值 LOGO （4 4）复现饱和盐溶液标准）复现饱和盐溶液标准 相对湿度值的装置相对湿度值的装置 v恒湿盐溶液应放恒湿盐溶液应放 入密闭的测量容入密闭的测量容 器器一个适合于一个适合于 容纳所检测湿度容纳所检测湿度 计形状和容积的计形状和容积的 恒湿箱。恒湿箱恒湿箱。恒湿箱 应由耐腐蚀的非应由耐腐蚀的非 亲水性材料做成，亲水性材料做成， 它应该具有易于它应该具有易于 清洁的简单形状。清洁的简单形状。瓶装饱和盐溶液实物图

9、瓶装饱和盐溶液实物图 LOGO ZL5ZL5型型LCRZLCRZ测试仪的基本使用方法测试仪的基本使用方法 v智能智能LCRLCR测量仪（以下简称电桥）是采用微测量仪（以下简称电桥）是采用微 机控制的电感、电容和电阻自动测量、偏机控制的电感、电容和电阻自动测量、偏 差比较和阻抗测量仪。差比较和阻抗测量仪。 图图1. 显示器外观显示器外观 图图2. 操作面版操作面版 LOGO v 高分子电阻型湿敏元件在不同高分子电阻型湿敏元件在不同 相对湿度下阻抗随频率的变化相对湿度下阻抗随频率的变化 曲线曲线 频率特性频率特性 高分子电阻型湿敏元件在不同频率下高分子电阻型湿敏元件在不同频率下 阻抗随相对湿度的变

10、化曲线阻抗随相对湿度的变化曲线 LOGO 湿滞特性湿滞特性 高分子电阻型湿敏元件的湿滞特性曲线高分子电阻型湿敏元件的湿滞特性曲线 LOGO 电压特性电压特性 高分子电阻型湿敏元件的电压特性曲线高分子电阻型湿敏元件的电压特性曲线 LOGO 高分子电阻型湿敏元件在不 同频率下容抗随相对湿度的 变化曲线 高分子电阻型湿敏元件在 不同相对湿度下容抗随频 率的变化曲线 容抗特性 LOGO 响应曲线响应曲线 LOGO LOGO v湿敏电阻并不是一个理想的纯电阻，它既湿敏电阻并不是一个理想的纯电阻，它既 含有电阻部分又含有电容部分，而且常常含有电阻部分又含有电容部分，而且常常 是两个部分同时起作用。采用是两

11、个部分同时起作用。采用“复阻抗复阻抗” 这个物理量来表示元件特性在不同的湿度这个物理量来表示元件特性在不同的湿度 环境中的变化。环境中的变化。 v“复阻抗复阻抗”包含电阻、电容、电感三部分，包含电阻、电容、电感三部分， 与测试频率有关与测试频率有关 湿敏机理的分析湿敏机理的分析 LOGO v电阻代表一种导电的载流子，而电容代表电阻代表一种导电的载流子，而电容代表 一种极化的过程。一种极化的过程。元件处于不同的湿度条元件处于不同的湿度条 件下，具有不同的导电类型，件下，具有不同的导电类型，也就是载流也就是载流 子的子的类型不同类型不同。在低湿环境中导电粒子以。在低湿环境中导电粒子以 电子导电为主。随着湿度的进一步增加，电子导电为主。随着湿度的进一步增加， 电离的程度也增强，高湿区，吸附的水分电离的程度也增强，高湿区，吸附的水分 子已经达到饱和，这时的电离程度最大，子已经达到饱和，这时的电离程度最大， 电子对复阻抗的贡献已经体现不出来了，电子对复阻抗的贡献已经体现不出来了， 电离起主要作用。电离起主要作用。 湿敏机理的分析湿敏机理的分析 LOGO v高分子的湿敏元件的导电粒子在不同的湿高分子的湿敏元件的导电粒子在不同的湿 度环境下，有所不同。在低湿段，主要以度环境下，有所不同。在低湿段，主要以 电子导电为主（电子导电为主（e e）；而在中湿段，离子）；而