濕敏元件
正文
利用濕敏材料對水分子的吸附能力或對水分子產生物理效應的方法測量濕度的元件。有關濕度測量，早在16世紀就有記載。許多古老的測量方法，如乾濕球溫度計、毛髮濕度計和露點計等至今仍被廣泛採用。現代工業技術要求高精度、高可靠和連續地測量濕度，因而陸續出現了種類繁多的濕敏元件。分類
濕敏元件主要分為二大類：水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩，易於附著並滲透入固體表面的特性製成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如，利用水分子附著或浸入某些物質後,其電氣性能(電阻值、介電常數等)發生變化的特性可製成電阻式濕敏元件、電容式濕敏元件；利用水分子附著後引起材料長度變化，可製成尺寸變化式濕敏元件，如毛髮濕度計。金屬氧化物是離子型結合物質，有較強的吸水性能，不僅有物理吸附,而且有化學吸附,可製成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在套用時附著或浸入被測的水蒸氣分子，與材料發生化學反應生成氫氧化物，或一經浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重複使用時元件的特性不穩定，測量時有較大的滯後誤差和較慢的反應速度。目前套用較多的均屬於這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產生的物理效應來測量濕度。例如，利用熱力學方法測量的熱敏電阻式濕度感測器，利用水蒸氣能吸收某波長段的紅外線的特性製成的紅外線吸收式濕度感測器等。圖1是濕敏元件的分類。 電解質濕敏元件 利用潮解性鹽類受潮後電阻發生變化製成的濕敏元件。最常用的是電解質氯化鋰(LiCl)。從1938年頓蒙發明這種元件以來，在較長的使用實踐中，對氯化鋰的載體及元件尺寸作了許多改進，提高了回響速度和擴大測濕範圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基於濕度變化能引起電介質離子導電狀態的改變，使電阻值發生變化。結構形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極，然後把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地塗在圓筒表面上製成，測濕範圍約為相對濕度30％。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡製成的。植物的髓脈具有細密的網狀結構，有利於水分子的吸入和放出。70年代研製成功玻璃基板含浸式濕敏元件，採用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無鹼玻璃基板（孔徑平均500埃）,可製成測濕範圍為相對濕度20～80％的元件。
氯化鋰元件具有滯後誤差較小，不受測試環境的風速影響，不影響和破壞被測濕度環境等優點，但因其基本原理是利用潮解鹽的濕敏特性，經反覆吸濕、脫濕後，會引起電解質膜變形和性能變劣，尤其遇到高濕及結露環境時，會造成電解質潮解而流失，導至元件損壞。
高分子材料濕敏元件
利用有機高分子材料的吸濕性能與膨潤性能製成的濕敏元件。吸濕後，介電常數發生明顯變化的高分子電介質，可做成電容式濕敏元件。吸濕後電阻值改變的高分子材料，可做成電阻變化式濕敏元件。圖2是高分子薄膜電介質電容式濕敏元件的基本結構。常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄,一般約5000埃,使元件易於很快的吸濕與脫濕,減少了滯後誤差,回響速度快。這種濕敏元件的缺點是不宜用於含有機溶媒氣體的環境，元件也不能耐80℃以上的高溫。 金屬氧化物膜濕敏元件 許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強的吸脫水性能，將它們製成燒結薄膜或塗布薄膜可製作多種濕敏元件。把鋁基片置於草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發或濺射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕範圍測濕的時間回響速度較快，滯後誤差小，常用於高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優點是固有電阻低，長期置於大氣環境表面狀態不會變化，膠體粒子間相互吸引粘結緊密等。它是一種價廉物美，較早投入批量生產的濕敏元件，在濕度測量和濕度控制方面都有大量套用。
金屬氧化物陶瓷濕敏元件 將極其微細的金屬氧化物顆粒在高溫1300℃下燒結，可製成多孔體的金屬氧化物陶瓷，在這種多孔體表面加上電極，引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時必須裸露於測試環境中，故油垢、塵土和有害於元件的物質(氣、固體)都會使其物理吸附和化學吸附性能發生變化，引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結體物理和化學狀態穩定，可以用加熱去污方法恢復元件的濕敏特性，而且燒結體的表面結構極大地擴展元件表面與水蒸氣的接觸面積，使水蒸氣易於吸著和脫去，還可通過控制元件的細微構造使物理性吸附占主導地位，獲得最佳的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長、元件特性穩定，是目前最有可能成為工程套用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0～160℃。
在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中，由鉻酸鎂－二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導體陶瓷是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的範圍內隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進行反覆的熱清洗，性能仍保持不變。圖3為這種陶瓷濕敏元件結構。
濕敏元件
濕敏元件紅外線吸收式濕度感測器
利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線製成的濕度感測器。60年代中期，美國氣象局以波長為1.37微米和1.25微米的紅外光分別作敏感光束和參考光束，研製成紅外線吸收式濕度感測器。這種感測器採用裝有λ0濾光片和λ 濾光片的鏇轉濾光片，當光源通過鏇轉濾光片時，輪流地選擇波長為λ0和λ 的紅外光束,兩條光束通過被測濕度的樣氣抵達光敏元件,由於波長為λ0的光束不被水蒸氣吸收，其光強仍為I0，波長為λ的光束被水蒸氣部分吸收，光強衰減為I（圖5）。採用朗伯－貝爾法測量： 
微波式濕度感測器 利用微波電介質共振系統的品質因數隨濕度變化的機理製成的感測器。微波共振器採用氧化鎂-氧化鈣-二氧化鈦陶瓷體，共振器與耦合環構成共振系統，含水蒸氣的氣體進入感測器腔體後改變原共振系統的品質因數，其微波損失量與濕度成線性關係。這種感測器的測濕範圍為相對濕度 40～95％，在溫度0～50℃時，精度可達 ±2％。微波式濕度感測器具有非水分子親和力型濕敏元件的優點，又由於採用陶瓷材料作共振系統，故可加熱清洗，且堅固耐用。缺點是對微波電路穩定性要求甚高。
超音波式濕度感測器 超音波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關，利用這一特性可製成超音波式濕度感測器。感測器由超音波氣溫計和鉑絲電阻測溫計組成，前者的測量數據與濕度有關，後者的測量數據只與溫度有關，按照超音波在乾燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計算出空氣的絕對濕度。超音波濕度感測器有很多優點，它的測濕數據比較準確，回響速度快，可以測出某一極小範圍的絕對濕度而不受輻射熱的影響。這種感測器尚處於研製階段。
濕敏元件的套用 濕敏元件的套用領域很廣。濕度的控制對許多生產過程都十分重要。如纖維、紙張、感光膠片、光學玻璃、熱壓件、電子元件、精密機械零件以及煙、茶、餅乾等產品的生產和儲藏對濕度條件都有嚴格的要求。農業上如溫室作物栽培、穀物和水果儲藏、養雞場和養豬場等也都需要濕度控制。此外，如空調房間的濕度調節、洗衣乾燥機的自控、磁帶錄像機和汽車窗玻璃的防止結露、尿布沾濕報警等也都要用到濕敏元件。
參考書目
徐同舉編著：《新型感測器基礎》，機械工業出版社，北京，1987。
