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湿度传感器的可靠性

传感器及变送器在工业上和农业上的应用越来越广泛，二氧化碳传感器和二氧化碳变送器等也逐渐为人所知，但真正了解它的性能并不太多。今天我们主要谈谈湿度传感器的感湿机理和引起湿敏半导体陶瓷元件性能漂移的因素和机理。
湿敏半导体陶瓷元件感湿机理主要是水分子在陶瓷颗粒表面的作用过程，水分子在湿度传感器表面吸附，使半导体陶瓷介电常数随湿度变化而变化。但在感湿中既有化学吸附，也有物理吸附；既要考虑电子过程，也不能忽视离子电导。电子，质子 ( 离子 ) 导电感湿理论认为，水分子在湿度传感器表面和晶界处的化学吸附和物理吸附降低了表面和晶界电阻。使陶瓷总电阻随湿度增大而降低。在低湿时，水分子以化学吸附为主，陶瓷主要靠电子或空穴导电；高湿时，水分子以物理吸附为主，陶瓷主要靠质子和离子导电；在中湿时，水分子的化学吸附和物理吸附都具有重要作用，随着湿度增大，水分子的吸附由化学吸附为主转向物理吸附为主，导电则由电子或空穴导电为主转向质子和离子导电为主。
湿度传感器元件在使用过程中性能的漂移是由湿敏陶瓷的微观结构和元件结构的变化引起的。湿敏陶瓷表面和晶界的能态比内部和晶粒高，对水分子和其它污染物易产生化学吸附。湿度传感器的陶瓷表面的高价态正离子具有极强的表面电场作用，对水的吸附能力很强，还能促进吸附水的离解。过渡金属离子一般都有空轨道，能接受有弧对电子的配位体。水和由水离解出的 OH 。都有孤对电子，可作为配位体。因此陶瓷表面的过渡金属离子能与 H2O 和 OH 一以配位键结合，使感湿体表面牢固地吸附一层 H20 或 OH 一离子，形成表面化学吸附层这种化学吸附水随着时间推移逐渐增多，部分 H20 与高价离子逐渐形成氢氧化物或形成结晶水，很难脱附。如灰尘、 NH3 、腐蚀性气体和酸性气体 ( 如 H2S 、 No1(SOx 、 Co2 、 C ) 、含有羟基、羧基、羰基等基因的有机物 ( 如丙酮、酒精、油蒸汽等 ) 都极易化学吸附在能态高的陶瓷表面上，使表面钝化或中毒。湿度传感器陶瓷表面和晶界处化学吸附物质的不断增多，导致表面活性吸附位置逐渐减少，表面不断钝化，表面电阻不断增大，元件阻值也就不断向高阻值方向漂移，感湿灵敏度也随之不断降低。陶瓷长期和水分子相接触，其体积和表面积会不断发生变化。一般的湿度传感器既有电阻变化感湿，也有电容变化感湿。因此陶瓷的介电性能变化也会引起性能漂移。陶瓷体积和比表面的变化会引起介电常数的变化，从而影响电容的感生能，*终引起元件性能漂移。陶瓷在交变电场工作，再加上水分子的反复吸脱附作用，容易在不均匀的陶瓷中产生较大的应力，引起瓷体破坏。使用过程中的碰撞、摩擦、震动等也可能引起瓷体损伤。这些都会引起元件性能的漂移。

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