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摘 要

湿度传感器不论在工业生产还是在生活中都起到重要的作用，理解湿敏材料特性是设计湿度传感器的关键。湿度传感器中的湿敏材料，一般具有多孔性，由此产生的毛细冷凝现象，是湿敏材料建模需要考虑的重要因素。本文以电容式湿度传感器作为应用对象，首先基于菲克定律对相关湿敏材料的感湿行为进行建模，通过Matlab软件和Comsol软件分别对相关材料特性进行仿真，接着考虑毛细冷凝效应，对相关材料模型进行修正和仿真，最后在相关材料模型的基础上对电容式传感器的器件特性进行了仿真分析。本文讨论了毛细冷凝现象对传感器器件特性的影响，讨论了传感器的尺寸参数、敏感膜的参数以及外界环境对该湿度传感器的特性曲线的影响，最终得出结论：通过减小上电极透气孔间距，增加透气孔径，减小薄膜厚度，合理的扩大薄膜的孔隙率，可以提高传感器的响应时间，而在较低温度下，传感器的性能会较好。

关键词：湿度敏感材料;电容式湿度传感器;毛细冷凝现象;特性仿真

ABSTRACT

Humidity sensor plays an important role in both industrial production and daily life. So understanding the characteristics of humidity sensitive material is the key to the design of humidity sensor. The humidity sensitive materials in humidity sensors are generally porous, and the capillary condensation phenomenon is an important factor that should be considered in the model of humidity sensitive material. To study capacitive humidity sensors, we model the relative humidity sensitive material based on the Fick's law and calculate the characteristic curves with Matlab and Comsol. Then the effect of capillary condensation is considered to modify the sensitive material model. Finally on the basis of the sensitive material model, a capacitive humidity sensor is simulated. The influence of capillary condensation effect is , the external environment parameters and the device sizes on the characteristics of capacitive humidity sensors are discussed. In conclusion: increasing the exposure area of sensitive material , decreasing the membrane thickness, reasonably enlarging the porosity of membrane, can improve the response time of the sensor.

Keywords: Humidity sensitive material; capacitive humidity sensor; capillary condensation; performance simulation

目 录

摘要 3

ABSTRACT 4

第一章 引言 7

1.1 研究背景 7

1.2 湿度传感器的性能参数 7

1.2.1 工作条件和测量范围 7

1.2.2 灵敏度 7

1.2.3 响应时间 8

1.2.4 温漂 8

1.2.5 湿滞 8

1.2.6 可靠性和稳定性 8

1.3 湿度传感器以及湿敏材料的研究现状 8

1.3.1 湿度传感器的介绍 8

1.3.2 电容式湿度传感器以及湿敏材料的研究现状 9

1.4 课题主要工作 9

第二章 基于扩散、吸附过程的材料感湿模型 10

2.1 敏感材料模型 10

2.2 传感器模型 12

2.2.1 传感器的物理模型 12

2.2.2 传感器的数学模型 13

2.2.3 对传感器的仿真及计算 14

第三章 毛细冷凝效应及对材料感湿模型的修正 17

3.1 毛细冷凝现象 17

3.2 毛细孔的分类 17

3.3 毛细孔内水的凝结和蒸发 18

3.4 考虑毛细冷凝的模型对材料感湿模型的修正 19

第四章 仿真结果分析 23

4.1 物理模型参数的影响 23

4.1.1 微孔的直径 23

4.1.2 微孔之间的距离 24

4.2 PI膜参数的影响 26

4.2.1 孔隙率 26

4.2.2 PI膜的厚度 28

4.2.3 毛细孔的尺寸及分布 29

4.3 外界环境的影响 32

4.3.1 温度 32

4.3.2 测量湿度的范围 33

第五章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

致 谢 37

参考文献 38

引言

研究背景

湿度是生活中最常见也是十分重要的物理量之一。在工业生产，运输储存，环境监测甚至医疗卫生方面都有重要的意义。比如建筑物通风控制，半导体行业和汽车行业的洁净室检测，电子设备的环境试验箱的检测，工业烘干，或化工、电子、食品、医药、化妆品甚至生物医学行业环境的监控等需要对湿度进行检测或控制。此外，湿度还对人的生活有着重要影响，空气适当的相对湿度可以使人感觉到舒适，增进人的身体健康。相对湿度低于40%时，则会产生静电现象。如果相对湿度太低，生活中的纤维制品会更加容易断裂，也会引起人们更加容易感冒等。因此，控制好湿度不论在生活中还是在工业生产中都是十分重要的，湿度传感器便成为人们生活生产中必不可少的器件之一。

湿度定义为气体中存在的水蒸气的含量。与湿度测量相关的两个常见参数是绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指单位体积中水蒸气的质量。类似地，相对湿度定义为一定温度下存在的水汽分压与给定温度下的水汽饱和蒸汽压力之比。相对湿度与环境温度有关。其中最常用的为相对湿度，其计算公式为：
(1.1)

其中， 和 分别指的是当前水蒸汽分压和水蒸汽在该温度下的饱和气压[1]。

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