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湿度是指水蒸气在空气中的浓度。随着社会的进步，对湿度的检测和控制愈来愈重要。湿度传感器是能将水蒸气的量转换成可以测量量的传感器，它已被广泛地应用在图书和档案管理、气候监测、精密仪器的使用和保护、物品储藏和工业生产等领域。研究人员已根据不同工作原理制备了相应的湿度传感器，但对于一个理想的湿度传感器来说它应该具有高的灵敏度、长期稳定性、响应时间短、低的价格及能在宽的湿度和温度范围内工作。
本文对当前湿度传感领域的最新研究进展进行综述，首先介绍湿度传感器的相关知识，之后介绍目前国际上采用电学、声学和光学原理制作的新型湿度传感器及各类传感器使用的材料，比较了采用陶瓷、半导体和聚合物等敏感材料制备技术的湿度传感器对其湿滞、恢复和响应时间等关键特性的影响，给出了各类湿度传感器的技术指标，并对未来湿度传感器的发展趋势进行了展望。
湿 度
众所周知，水依据周围不同的温度和压力可有3种不同的相，即冰、液和气态相，表1 给出了水分子的一些性质。周围的空气总是含有一定的水汽，空气中水汽的存在导致了湿度。湿度是涉及气态形式中的水，而水分是指液体形式中的水，因此湿度服从气体定律。由于具有湿度的蒸汽中含有高度极性的分子，当周围温度有微小变化时就可以使物质表面发生凝聚和蒸发，从而使物质的性质发生变化，而这高的极性是由于 H、O 原子之间存在负电差。在日常生活中，如何测量和控制湿度就显得非常重要。
表1 水分子性质
湿度传感器的分类及参数
按照制作原理通常可将湿度传感器分成如下三大类：电子、声学和光学传感器。
第一类传感器是利用敏感材料的电子和机械特性与湿度的关系制备的传感器，而在这一类传感器中又主要以电容湿度传感器和电阻湿度传感器为主;
第二类传感器是根据声学信号随湿度的变化而发生变化的性质制作的传感器，目前主要是利用表面波、石英晶体微天平和体声波特性;
第三类光学湿度传感器，它是根据湿度的变化会引起媒介层性质的变化，进而使光传播性质（ 吸收、反射系数、频率等） 变化而制作的传感器，研究比较多的主要有光纤湿度传感器和干涉测量湿度传感器。
表2 给出了表征湿度传感器特性的常用参数。
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电子湿度传感器
在过去几十年中，人们的研究主要致力于促进电子湿度传感器的性能。目前市场上可获得的该类湿度传感器典型的价格低于$10，而且它们的大多数是直接与微处理机连接，不需要额外的放大器或数字转换器。此外，一个外部微处理器能够直接给出露点和水蒸气的浓度。不过这些市场上使用的器件也存在着如下不足之处：
（ 1） 在某些应用中响应时间长;
（ 2） 精度低，接近 ± 2% ，特别是在低湿度和高湿度时;
（ 3） 宽的湿滞和不好的线性;
（ 4） 工作温度范围有限和稳定性低。
这类传感器的典型响应时间在 5 ～ 60 s，虽然对许多应用它是适合的，但对其他领域（ 如做呼吸传感器） ，这个响应时间就太长。此外，它的精度仅有百分之几RH，当在相对湿度 0% ～ 10% 和 90% ～ 100% 极端范围下使用，精度会更低。器件还存在宽的湿滞现象，会使器件的输出受湿度是在增加还是减小过程影响明显。最高工作温度通常在 80 ～ 120 ℃ 之间，它不能满足一些工业烘干方面的应用要求。市场上可获得的一些电子湿度传感器性能见表3。
1. 电容湿度传感器
电容型湿度传感器是利用了平行板电容器的电容值与其介质的性质有关的特性，采用敏感材料做介质层。因此电容湿度传感器的特性主要取决于材料的吸湿性和电极的几何形状。通常使用的敏感层材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等高分子材料，电极为叉指电极，这可增加水蒸气与敏感层表面的相互作用。电容传感器具有响应快，线性度高，湿滞低以及长期稳定性好等特点。Ahmad 等利用有机与无机材料的合成制成了检测环境的湿度传感器; Bi 等研究了石墨烯氧化物对湿度敏感特性的影响; Chen 等则利用多壁碳纳米管（ MWCNTs） 制成了电容湿度传感器。表4 中列出了不同敏感层电容传感器的性能。
近来依赖于 CMOS － MEMS、纳米技术和电容技术的新一代湿度传感器已有报道，新的器件具有更短的反应时间，与通常使用的器件相比其反应时间大约减少 9 /10 以上。表 4 为用不同材料制备的电容湿度传感器特性值。
2. 电阻湿度传感器
与电容传感器相比，目前对电阻传感器的研究主要集中在促进它的敏感性、响应时间、线性和湿滞性质方面。Arshaka 等研究采用热沉积 In2O3 和锰锌铁氧体烧结膏来获得低的湿滞和好的线性关系的电阻湿度传感器; Kuang 等考察了单根 SnO2 纳米线制作电阻湿度传感器，单根纳米线的使用可使传感器的尺寸减小，响应速度提高; 在生长过程中由于引入了高的氧空位浓度，这将使纳米线表面对空气中的氧和水蒸气特别敏感。该器件的性质显示其可重复的线性响应在响应和恢复阶段分别为 120 ～ 170s 和 20 ～ 60s; Lee 等研究了通过射频 （ RF） 溅射沉积纳米结构 CNx 膜的性质，认为 CNx 键可与氢和羟基发生可逆反应从而产生亲水性表面，可以吸收和释放水分子。表5 为不同敏感材料制作的电阻湿度传感器性能值。
声湿度传感器
图2 湿度探测的 SAWR 结构单元
光学湿度传感器
目前，光学湿度传感器可以利用不同技术和方法制作，如有光谱法、改变表面反射率、Bragg 和长周期光栅、干涉仪、碳纳米管等，特别是近年来又出现了光子晶体制备的光学湿度传感器。大多数光纤光学湿度传感器要求光纤含吸湿材料，它通常沉积在光纤的某个区域或光纤的尖端处。Aneesh 等研究了用氧化锌纳米粒子掺杂纳米溶胶 － 凝胶纤维作为敏感部分的湿度传感器; Wong 等利用聚乙烯醇涂覆光子晶体光纤制作了相应的湿度传感器。一些光学湿度传感器的主要性质列在表 8 中。
结束语
文中对当前电子、声学和光学湿度传感器的研究进行了全面综述，给出了用不同敏感材料制备的传感器性能。目前低价格的湿度传感器仍是以电容湿度传感器和电阻湿度传感器为主，在过去十多年研究中，电子类湿度器件的性能已有了很大提高，特别是在开发一些与 Si 技术兼容的传感器方面有了很大进步，这有望实现其与温度及其他传感器的集成。在不同类型湿度传感器中，通过厚膜和薄膜沉积技术制备的半导体金属氧化物和金属氧化物/聚合物基传感器是引人关注的，与聚合物基薄膜或厚膜湿度传感器比较，陶瓷的合成过程简单，并且它们具有响应时间短的特性，但与聚合物材料相比由其制备的湿度传感器成本效高。
作者：侯国华，殷景志，李万成，高福斌，马 艳，陈信琦
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