濕敏陶瓷是指對空氣或其他氣體、液體和固體物質中水分含量敏感的陶瓷材料。即空氣中濕度的變化,或物質中水分含量的變化,能引起陶瓷材料某些物理或化學性質的劇烈變化,如電阻率、介電常數等非常明顯的變化,并且,這種變化遵循某種規律,如線性、指數函數等,這種變化規律應該是穩定的和可逆的,因而,人們可以利用這種變化規律精確地測量和控制空氣中的濕度或物質中的水分含量。
濕敏陶瓷用于測量濕度必須首先制成濕敏元件,如濕敏電阻和濕敏電容等,然后配以適當的電路和輔助零件,構成濕度傳感器,傳感器輸出相應的電信號給顯示、記錄或控制電路組成的濕度計或濕度控制設備。濕敏陶瓷應能方便地制成濕敏元件,并易于大量生產,其主要性能滿足濕度傳感器的要求。
(1) 電源頻率范圍
濕度傳感器通常工作在交流電路或雙向脈沖電路中,因為在直流電路中水將電解,不能給出穩定的信號。設計上為避免工頻交流電的干擾,傳感器的電源頻率應選擇在遠離50Hz的范圍內,一般取100Hz以上及10Hz以下的頻率范圍。在交流電路中主要表現為電容性的濕敏元件稱濕敏電容,一般容抗很大;主要表現為電阻性的稱濕敏電阻;容抗與電阻接近的則為阻抗型。
(2) 相對濕度區域
濕度通常用相對濕度(RH) 表示。能在濕度75%RH 以上工作的傳感器稱高濕型傳感器。45%RH以下的濕度稱低濕范圍,這種傳感器稱低濕型傳感器。濕敏陶瓷一般能在0~100%RH范圍內工作,故稱全濕型。
(3) 電性能
為了便于測量和與顯示儀表連接,在正常試驗條件下,濕敏電阻通常取值為幾kΩ至幾MΩ, 濕敏電容在幾十nF至幾千nF范圍。這樣濕敏陶瓷的電阻率也為10的三次方~10的7次方Ω·cm, 介電常數為2x10三次方。在整個濕度范圍內,電阻率變化2~4個數量級,介電常數變化1~3個數量級。電阻率和介電常數等材料參數隨濕度的變化可以是線性函數,也可以是對數函數關系。
(4)靈敏度
靈敏度是濕敏元件的另一個指標。通常以相對濕度變化1%,阻值或電容量變化的百分數表示,其單位為%/%RH。一般濕敏陶瓷的靈敏度在(1%~15%)/%RH之間。在不同的濕度范圍靈敏度往往不同。
(5) 響應時間
對濕度的響應速度常用吸濕和脫濕時間表示,總稱響應時間。當濕度由0% (或近于0) 增加到50%或30%增加到 90%時,達到平衡所需要的時間為吸濕時間;當濕度由100%(或接近于100)下降到50%或由90%下降到30%時達到平衡所需要的時間為脫濕時間。具體條件的規定當以傳感器實際使用的條件為依據。一般吸濕響應快,脫濕較慢,即脫濕時間大于吸濕時間, 由于通常使用的濕度傳感器是在大氣中,非移動狀態,因此,對響應時間并不苛求。
陶瓷濕敏元件響應時間大多小于30s, 有些可以小于1s, 響應非常迅速。一般厚膜濕敏元件比體型響應要快些。
(6) 電阻(或電容)的溫度系數
濕敏陶瓷大多是半導體陶瓷,半導體特性往往強烈地依賴于溫度。濕敏陶瓷的電阻率(或電容率)的溫度系數也是非常重要的,并常稱為濕度溫度系數。它定義為溫度每變化1℃, 其材料常數的變化所對應的濕度變化,單位為%RH/℃。
(7) 抗老化性能
濕敏元件長時間用于有油煙、灰塵等污染性環境中,本身也會受到污染,性能下降,最后失去濕敏性能。但是濕敏陶瓷在受到污染后可利用熱清洗的方法恢復原有的性能,這是其他類型的濕敏元件所不及的。所謂熱清洗,就是把濕敏陶瓷加熱到400℃以上,使吸附在瓷體表面的污物燒掉,恢復濕敏陶瓷原來的吸附能力。