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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(duì)濕度成正比，利用這一特性即可測(cè)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）。

　　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(duì)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。

　　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(chǎng)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(cè)溶液中離子緩沖溶液接觸，進(jìn)而可以測(cè)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(chǎng)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(cè)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(jié)構(gòu)示意圖

　　六、三種土壤濕度傳感器的分析比較

　　通過對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)濕度范圍大，并且結(jié)構(gòu)與等效形式較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過程較容易，因此對(duì)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(jiǎn)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。