五、土壤濕度傳感器分類

　　經過半個多世紀的發展，土壤濕度傳感器已經種類繁多、形式多樣。濕度的測量具有一定的復雜性，人們熟知的毛發濕度計、干濕球濕度計等已不能滿足現代要求的實際需要。因此，人們研制了各種土壤濕度傳感器。濕度傳感器按照其測量的原理，一般可分為電容型、電阻型、離子敏型、光強型、聲表面波型等。

　　1.電容型土壤濕度傳感器

　　電容型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為金屬氧化物、高分子聚合物。這些材料對水分子有較強的吸附能力，吸附水分的多少隨環境濕度的變化而變化。由于水分子有較大的電偶極矩，吸水后材料的電容率發生變化，電容器的電容值也就發生變化。把電容值的變化轉變為電信號，就可以對濕度進行監測。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比，利用這一特性即可測量濕度。常用的電容型土壤濕度傳感器的感濕介質主要有：多孔硅、聚酞亞胺，此外還有聚砜（PSF）、聚苯乙烯（PS）、PMMA（線性、交聯、等離子聚合）。

　　電容型土壤濕度傳感器結構示意圖

　　2.電阻型土壤濕度傳感器

　　電阻型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電阻，其主要的材料一般為電介質、半導體、多孔陶瓷等。這些材料對水的吸附較強，吸附水分后電阻率／電導率會隨濕度的變化而變化，這樣濕度的變化可導致濕敏電阻阻值的變化，電阻值的變化就可以轉化為需要的電信號。例如，氯化鋰的水溶液在基板上形成薄膜，隨著空氣中水蒸氣含量的增減，薄膜吸濕脫濕，溶液中的鹽的濃度減小、增大，電阻率隨之增大、減小，兩級間電阻也就增大、減小。又如多孔陶瓷濕敏電阻，陶瓷本身是由許多小晶顆粒構成的，其中的氣孔多與外界相通，通過毛孔可以吸附水分子，引起離子濃度的變化，從而導致兩極間的電阻變化。

　　電阻型土壤濕度傳感器結構示意圖

　　3.離子型土壤濕度傳感器

　　離子敏場效應晶體管（ISFET）屬于半導體生物傳感器，是上個世紀七十年代由P．Bergeld發明的。ISFET通過柵極上不同敏感薄膜材料直接與被測溶液中離子緩沖溶液接觸，進而可以測出溶液中的離子濃度。

　　離子敏型土壤濕度傳感器結構模型示意圖如下圖所示。離子敏感器件由。離子選擇膜（敏感膜）和轉換器兩部分組成，敏感膜用以識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號。離子敏場效應管在絕緣柵上制作一層敏感膜，不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。

　　離子型土壤濕度傳感器結構示意圖

　　六、三種土壤濕度傳感器的分析比較

　　通過對三種土壤濕度傳感器的研究可知：電容型土壤濕度傳感器是由交叉指狀鋁條構成電容器的電極，利用空氣充當電容器的電介質，隨空氣相對濕度的變化其介電常數發生變化，電容器的電容值也將隨之變化，所以該電容器可用作土壤濕度傳感器；

　　電阻型土壤濕度傳感器是由通過感濕傳感層的兩個電極構成的許多小單元組成，利用小單元的數目改變，使電阻值發生變化，所以可用作土壤濕度傳感器；

　　離子敏型土壤濕度傳感器由敏感膜和轉換器兩部分組成，利用敏感膜來識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號，因此也可作為土壤濕度傳感器。

　　同時根據對三種不同類型的土壤濕度傳感器結構示意圖研究發現：由于多孔硅與CMOS工藝不兼容，并且多孔硅制備的工藝條件及后處理、孔隙及孔徑大小的控制很困難，同時多孔硅的感濕機理比較復雜，因此CMOS濕度傳感器的主要感濕介質以聚酞亞胺為主。聚酞亞胺類的傳感器可與CMOS工藝兼容，成本也較低，并且無需高溫加工和加熱清潔，它對濕度的感應不像多孔陶瓷易受污染。而若用CMOS工藝生產電阻型濕度傳感器和離子敏型濕度傳感器，它們需要改動較多CMOS的工藝。例如：改變生產過程的先后順序，使用新的掩膜板等，這些都會耗費大量的流片資金；并且與標準的CMOS工藝相比，工藝較不成熟，增加了流片的風險性；同時它們存在著難與外圍電子封裝在一起的困難。

　　另外，電容型濕度傳感器（CHS）由于感應相對濕度范圍大，并且結構與等效形式較簡單，生產過程較容易，因此對它的研究受到了廣泛重視。以梳狀鋁電極結構的聚酞亞胺作為電容型土壤濕度傳感器的感濕介質的優點主要是可與CMOS工藝相兼容，可利用成熟的標準CMOS工藝來加工，且加工工藝較簡單，所以能夠把更多的器件（敏感器件或外圍的電路器件）集成在同一塊芯片上或封裝在一起，使土壤濕度傳感器具有更好的性能或更多的功能。同時有利于使土壤濕度傳感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向發展。