微機電製程技術 濕 度 感 測 器 介 紹

大綱 組員分工 前言 濕度感測器介紹 濕度感測器類型 石英晶體振盪器溼度感測器 高分子溼度感測器 電解質溼度感測器 陶瓷溼度感測器 濕度感測器之要件 結論 參考文獻

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前言 濕度感測器元件在現代生活領域中日趨重要，濕度測量為我們提供了控制這種影響的機會，人們越來越關注室內空氣質量，適當的溫濕度環境，使人們感覺舒適，過高或過低的溫濕度，則會引起人們感覺不適濕度感測器，目前被廣泛應用於自動化電子、醫療、農業、氣象、環保、國防科技與航太等領域，經常需對環境濕度進行測量及控制，對環境舒適度而言，人類適合之環境相對濕度約介於40- 70%RH。

濕度感測器介紹 溼度感測器在工業用途如食品加工業、實驗室之溼度控制或在家庭電器用品如冷氣機、除濕機等中常被使用以下將介紹目前常用的溼度感測器，包含石英晶體振盪器溼度感測器、高分子溼度感測器、電解質溼度感測器、與陶瓷溼度感測器等，以下並針溼度感測器之原理、規格、做簡單介紹。

濕度感測器類型 高分子濕度感測器 電解質濕度感測器 陶瓷濕度感測器 石英晶體振盪器溼度感測器

石英晶體振盪器溼度感測器(1/3) 石英晶體本身是壓電材料，依切面的不同而有不同的振盪頻率係數，同一切面不同厚度的石英片，將有不同的振盪頻率。當石英片存在於含有水份的空氣中時，它會吸附空氣中的水份，增加了它的負載效應而使振盪頻率改變，可藉以測定溼度，即為石英晶體震盪器溼度感測器的工作原理，除了外圍多加了一層用來吸收水分的樹脂吸收膜外，其餘均與一般石英晶體震盪器相同。

石英晶體振盪器溼度感測器(2/3) 厚度:t 切面的頻率常數:N 石英片密度:ρ 吸收水份密度變化:一Δρ 則頻率變化量可表示為 負值的意義表示振盪頻率會隨著溼度的增加而減少，此類溼度感測器適用於溫度為0~50℃，溼度為0~100﹪RH的範圍，測定精密度為±5﹪以內，通常使用10MHz左右的振盪頻率。此類溼度感測器應用範圍甚廣，在醫療方面常用於嬰兒保育器內作溼度監控之用。 石英晶體振盪器濕度感測器基本構造

石英晶體振盪器溼度感測器(3/3) 石英晶體振盪器溼度感測器特性

高分子溼度感測器(1/3) 高分子溼度感測器具有兩種不同的型式 電容變化式 電阻變化型 電容式其容量變化小，靈敏度低，隨時間之變化小，且與其配合的振盪電路相當複雜，測定比較困難。 電阻變化型 電阻型的精密度較差，約在2﹪以內，但其體積較小，測定比較容易。

高分子溼度感測器(2/3) 電容變化式在高分子膜上下各蒸鍍一電極膜片，上方之電極為多孔性用以吸收水份，使水分子能被高分子膜所吸收而改變其電容量。 電容變化型高分子溼度感測器

高分子溼度感測器(3/3) 電阻變化型溼度感測器在感濕高分子膜的上方鍍上一對齒狀的電極，當溼度改變時，高分子膜吸收水份而使電極間之電阻會隨之而變 電阻變化型高分子溼度感測器

電解質溼度感測器(1/2) 電解質溼度感測器是最早使用的感測器，其基本結構是在兩金屬電極之間放置一些電解質材料，如Li和Cl 等，當有水分子通過時，電解質與水分子間會產生化學反應而使電阻值下降。

電解質溼度感測器(2/2) 電解質濕度感測器其特性曲線，此特性曲線可知此類溼度感測器所能測定之範圍較窄，約在30﹪RH 之內，如欲測定較廣之範圍，則必須採用多種不同的電解質，如此將增加測定的困難。

陶瓷溼度感測器(1/2) 是以多孔性(porous)陶瓷如MgCr2O4~TiO2、Sr(Sn,Ti)O3 、ZnCr2O4 等材料來作為感測元件。當水分子經由多孔性電極如RuO2，進入陶瓷體之後，將會附著於陶瓷體的結晶顆粒表面上，使陶瓷體的電阻改變，此類結構的特點為當吸附水分子後，水分子不容易揮發，而使測定工作困難，因此必須加入發熱部份，使水分子揮發。

陶瓷溼度感測器(２/2) 陶瓷溼度感測器的基本結構 特性曲線

濕度感測器之要件(1/2) 高靈敏度 反應時間快 性質穩定 為輸出訊號變化與待測量變化之比，當感測器需於各種相對濕度和溫度範圍，均具有良好之靈敏度 反應時間快 當感測器量測濕度變化至另一濕度值時，量測訊號達於飽和穩定值所需之時間。 性質穩定 在高溫環境下，感濕材料經熱循環或長時間使用後性質仍須保持穩定，保持感測的性能，而長期穩定性和使用壽命是影響濕度感測器品質的主要問題。

濕度感測器之要件(２/2) 精度和長期穩定性 重現性佳 遲滯現象小 濕度感測器的精度應達到±2%~±5%RH，通常產品資料中給出的特性是在常(20℃±10℃)和潔凈的氣體中測量的，但實際使用中，由於塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產生老化，精度下降，濕度感測器的精度水準是相當重要的。 重現性佳 同一待測量重複輸入量測，轉換器產生相同1結果的比率，重現性愈大表示轉換器的可靠度愈高。 遲滯現象小 當感濕材料脫附水分子之過程中，常因有部分水分子以化學鍵結殘留於感測材料內，造成上升曲線與下降曲線的誤差。

結論 溫度感測對於作物栽培環境偵測與控制，並可應用於植物體溫測定等多方面用途，不但提供作物灌溉栽培管理之參考。而在農業上應用尚需考慮高溼度、溫差大、多灰塵、多昆蟲與化學農藥等不良環境對量測設備所造成的傷害，且在測量時易受太陽輻射熱之干擾，由於農業設施分布廣闊，使訊號傳輸也成為問題所以測量方法以採用訊號強度較大、設施費用低廉、不易故障且易維修為宜，量測設備亦需有良好的避雷設備。我們可以知道原來濕度感測在我們周遭環境中的扮演角色相當的重要。

參考文獻 感測與轉換，吳朗，全欣資訊圖書，81 年3 月。 感測器，陳瑞和，全華圖書，82 年1 月。 感測器應用與線路分析，盧明智、盧鵬任，全華圖書，85 年9 月。 常用線性IC 資料手冊，孫宗瀛、黃金定，全華圖書，82 年9 月。 逤博士論文(微型懸臂樑溼度感測器) http://140.138.138.110/article/articles/technical/file/(2001-02-23)%20HIH%A8t%A6C%B7%C3%AB%D7%B7P%B4%FA%A4%B8%A5%F3%A8%CF%A5%CE%BB%A1%A9%FA.pdf