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土壤温湿度传感器=土壤温度传感器+土壤湿度传感器
发布时间:2020-06-24   点击次数:55次

土壤温湿度传感器是由两个传感器组成的,分别是土壤水分传感器和土壤温度传感器。土壤温湿度传感器关系着作物的生长,是农田作业的基础。

土壤温度传感器是可以监测土壤、大气还有水的温度,用于实验和科研的土壤温度传感器。土壤温度的高低,与作物的生长发育、肥料的分解和有机物的积聚等有着密切的关系,是农业生产中重要的环境因子。土壤温度也是小气候形成中一个极为重要的因子,故土壤温度的测量和研究是小气候观测和农业气象观测中的一项重要内容。

土壤湿度传感器又名:土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器。主要用来测量土壤容积含水量,做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护。

土壤湿度传感器分类

  经过半个多世纪的发展,土壤湿度传感器已经种类繁多、形式多样。湿度的测量具有一定的复杂性,人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要。因此,人们研制了各种土壤湿度传感器。湿度传感器按照其测量的原理,一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等。

1.电容型土壤湿度传感器

  电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容,主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力,吸附水分的多少随环境湿度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩,吸水后材料的电容率发生变化,电容器的电容值也就发生变化。把电容值的变化转变为电信号,就可以对湿度进行监测。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比,利用这一特性即可测量湿度。常用的电容型土壤湿度传感器的感湿介质主要有:多孔硅、聚酞亚胺,此外还有聚砜(PSF)、聚苯乙烯(PS)、PMMA(线性、交联、等离子聚合)。

2.电阻型土壤湿度传感器

  电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻,其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强,吸附水分后电阻率/电导率会随湿度的变化而变化,这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化,电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如,氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜,随着空气中水蒸气含量的增减,薄膜吸湿脱湿,溶液中的盐的浓度减小、增大,电阻率随之增大、减小,两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻,陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的,其中的气孔多与外界相通,通过毛孔可以吸附水分子,引起离子浓度的变化,从而导致两极间的电阻变化。

3.离子型土壤湿度传感器

  离子敏场效应晶体管(ISFET)属于半导体生物传感器,是上个世纪七十年代由P.Bergeld发明的。ISFET通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子缓冲溶液接触,进而可以测出溶液中的离子浓度。

  离子敏型土壤湿度传感器结构模型示意图如下图所示。离子敏感器件由。离子选择膜(敏感膜)和转换器两部分组成,敏感膜用以识别离子的种类和浓度,转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层敏感膜,不同的敏感膜所检测的离子种类也不同,从而具有离子选择性。

三种土壤湿度传感器的分析比较

  通过对三种土壤湿度传感器的研究可知:电容型土壤湿度传感器是由交叉指状铝条构成电容器的电极,利用空气充当电容器的电介质,随空气相对湿度的变化其介电常数发生变化,电容器的电容值也将随之变化,所以该电容器可用作土壤湿度传感器;

  电阻型土壤湿度传感器是由通过感湿传感层的两个电极构成的许多小单元组成,利用小单元的数目改变,使电阻值发生变化,所以可用作土壤湿度传感器;

  离子敏型土壤湿度传感器由敏感膜和转换器两部分组成,利用敏感膜来识别离子的种类和浓度,转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号,因此也可作为土壤湿度传感器。

  同时根据对三种不同类型的土壤湿度传感器结构示意图研究发现:由于多孔硅与CMOS工艺不兼容,并且多孔硅制备的工艺条件及后处理、孔隙及孔径大小的控制很困难,同时多孔硅的感湿机理比较复杂,因此CMOS湿度传感器的主要感湿介质以聚酞亚胺为主。聚酞亚胺类的传感器可与CMOS工艺兼容,成本也较低,并且无需高温加工和加热清洁,它对湿度的感应不像多孔陶瓷易受污染。而若用CMOS工艺生产电阻型湿度传感器和离子敏型湿度传感器,它们需要改动较多CMOS的工艺。例如:改变生产过程的先后顺序,使用新的掩膜板等,这些都会耗费大量的流片资金;并且与标准的CMOS工艺相比,工艺较不成熟,增加了流片的风险性;同时它们存在着难与外围电子封装在一起的困难。

  另外,电容型湿度传感器(CHS)由于感应相对湿度范围大,并且结构与等效形式较简单,生产过程较容易,因此对它的研究受到了广泛重视。以梳状铝电极结构的聚酞亚胺作为电容型土壤湿度传感器的感湿介质的优点主要是可与CMOS工艺相兼容,可利用成熟的标准CMOS工艺来加工,且加工工艺较简单,所以能够把更多的器件(敏感器件或外围的电路器件)集成在同一块芯片上或封装在一起,使土壤湿度传感器具有更好的性能或更多的功能。同时有利于使土壤湿度传感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向发展

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