湿敏陶瓷之二

当前，由于湿度传感器在家用电器、食品、医药、工及农业等各方面的应用越来越广泛，因此对湿度传感器的要求也越来越高。概括起来有下几点：

①高可靠性和长寿命；

②用于各种有腐蚀性气体（如Cl2、SO2等）的场合时，传感器的特性不变；

③ 用于多种污染环境，如存在油、烟等环境时，其特性不漂移；

④传感器特性的温度稳定性好；

⑤能用于宽的湿度范围。如1%~100%RH和温度范围，如1~100℃;

⑥在全湿度量程内，传感器的变化要易于测量，如电阻在10~10的7次方Ω范围内变化，或电容在10~10的5次方pF范围内变化；

⑦便于生产，价格便宜；

⑧有好的互换性。

综上所述可知，湿敏陶瓷是满足这些性能要求的最好材料。

水分传感器

1.湿敏陶瓷材料

目前，研究和生产的湿敏陶瓷材料种类繁多，化学组成复杂，涉及一至六价多种金属氧化物和一元至多元系统。按其感湿特性大体可分为电阻型、电容型和阻抗型。按制造工艺又可分为涂覆膜型、烧结体型、厚膜型和薄膜型。本节简单介绍几种有代表性的瓷料。

（1) 电阻型湿敏陶瓷材料

这是一类研究最多、应用最广的湿敏陶瓷材料，典型的瓷料是MgCr2O4系统，其主要晶相是MgCr2O4。TiO2 作为掺杂改性成分，主要特性有以下几个。

①多孔结构

MgCr2O4-TiO2 二元系在高温下有良好的力学和热学性质。MgCr2O4有较高的耐火度，Cr在高温下容易挥发，因此，含Cr量高的金属氧化物很难烧结成高密度，烧结体是一种典型的多孔结构。样品的体积密度占理论密度的百分数随TiO2 的添加量略有增加。同时，晶粒尺寸和气孔大小也随TiO2加入量的增加而增大，比表面积随TiO2加入量的增加而减小。晶粒之间以颈状部分相联结。气孔呈开口毛细管状，因此，它很容易吸附水蒸气，并凝结在毛细管中。这种多孔结构能有效地阻止热冲击引起的开裂，因此，它能反复地进行热清洗而不破坏。

②半导体性

在高温下Cr是以原子状态挥发，造成MgCr2O4中氧过剩，并提供大量受主能级，表现为p型半导体性。电阻率随温度的升高而下降，具有负温度系数（NTC) 特性，并影响这种材料的湿度温度系数。

③湿敏特性

材料对吸附水非常灵敏，并有稳定的函数关系。由函数关系可确定湿度测量范围、正常状态下的电阻值（如50%RH时的阻值）、全湿度量程下的阻值范围及感湿灵敏度等重要参数。

④响应速度

MgCr2O4-TiO2 湿敏陶瓷的吸脱湿响应时间，可见，30s 已达到完全稳定。

⑤滞后曲线

MgCr2O4-TiO2 材料的升湿和降湿曲线，两者几乎重合，滞后很小，在±0.5%RH以内。

⑥频率特性

电源频率对该材料湿度－电阻关系——在10的4次方Hz以下影响很小。

⑦寿命

在各种严酷条件下的寿命实验表明材料的寿命特性很好，性能可靠。

⑧湿度温度系数

MgCr2O4-TiO2 材料在20~80℃范围内温度对电阻－温度曲线的影响。在60%RH下的温度系数约为3. 8%RH/℃。

⑨ 电压特性

测试电压在5V以下时，其特性几乎与电压无关。施加电压大于5V时，在高湿度情况下受焦耳热的影响。

在 MgCr2O4-TiO2 系统的TiO2 的含量变动在很宽的范围内［ (1~30) mol%] , 湿敏性都较好。