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土壤濕度傳感器分類 - 土壤濕度傳感器怎么用_土壤濕度傳感器種類

2018年01月22日 09:01 網(wǎng)絡(luò)整理 作者: 用戶評(píng)論(0
關(guān)鍵字:土壤濕度傳感器(4161)

  五、土壤濕度傳感器分類

  經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,土壤濕度傳感器已經(jīng)種類繁多、形式多樣。濕度的測量具有一定的復(fù)雜性,人們熟知的毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)等已不能滿足現(xiàn)代要求的實(shí)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(qiáng)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(qiáng)的吸附能力,吸附水分的多少隨環(huán)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(fā)生變化,電容器的電容值也就發(fā)生變化。把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),就可以對濕度進(jìn)行監(jiān)測。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的,當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí),濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)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(zhì)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(lián)、等離子聚合)。

土壤濕度傳感器怎么用_土壤濕度傳感器種類

  電容型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)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(zhì)、半導(dǎo)體、多孔陶瓷等。這些材料對水的吸附較強(qiáng),吸附水分后電阻率/電導(dǎo)率會(huì)隨濕度的變化而變化,這樣濕度的變化可導(dǎo)致濕敏電阻阻值的變化,電阻值的變化就可以轉(zhuǎn)化為需要的電信號(hào)。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(jí)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(gòu)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(dǎo)致兩極間的電阻變化。

土壤濕度傳感器怎么用_土壤濕度傳感器種類

  電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

  3.離子型土壤濕度傳感器

  離子敏場效應(yīng)晶體管(ISFET)屬于半導(dǎo)體生物傳感器,是上個(gè)世紀(jì)七十年代由P.Bergeld發(fā)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器兩部分組成,敏感膜用以識(shí)別離子的種類和濃度,轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。離子敏場效應(yīng)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。

土壤濕度傳感器怎么用_土壤濕度傳感器種類

  離子型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)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(gòu)成電容器的電極,利用空氣充當(dāng)電容器的電介質(zhì),隨空氣相對濕度的變化其介電常數(shù)發(fā)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(gè)電極構(gòu)成的許多小單元組成,利用小單元的數(shù)目改變,使電阻值發(fā)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(zhuǎn)換器兩部分組成,利用敏感膜來識(shí)別離子的種類和濃度,轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),因此也可作為土壤濕度傳感器。

  同時(shí)根據(jù)對三種不同類型的土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖研究發(fā)現(xiàn):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(shí)多孔硅的感濕機(jī)理比較復(fù)雜,因此CMOS濕度傳感器的主要感濕介質(zhì)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(yīng)不像多孔陶瓷易受污染。而若用CMOS工藝生產(chǎn)電阻型濕度傳感器和離子敏型濕度傳感器,它們需要改動(dòng)較多CMOS的工藝。例如:改變生產(chǎn)過程的先后順序,使用新的掩膜板等,這些都會(huì)耗費(fèi)大量的流片資金;并且與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝相比,工藝較不成熟,增加了流片的風(fēng)險(xiǎn)性;同時(shí)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(yīng)相對濕度范圍大,并且結(jié)構(gòu)與等效形式較簡單,生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的聚酞亞胺作為電容型土壤濕度傳感器的感濕介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)主要是可與CMOS工藝相兼容,可利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(fā)展。

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