1.1土壤濕度

土壤濕度，即表示一定深度土層的土壤干濕度程度的物理量，又稱(chēng)土壤水分含量。土壤濕度的高低受農(nóng)田水分平衡各個(gè)分量的制約。

1.2土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器又名土壤水分傳感器，土壤含水量傳感器。土壤水分傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對(duì)表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的工具測(cè)量土壤容積含水量，主要用于土壤墑情檢測(cè)以及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。

1.3 土壤濕度表示方法

土壤濕度，即土壤的實(shí)際含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分?jǐn)?shù)表示：土壤含水量=水分重/烘干土重×100％。也可以相當(dāng)于土壤含水量與田間持水量的百分比，或相對(duì)于飽和水量的百分比等相對(duì)含水量表示。

根據(jù)土壤的相對(duì)濕度可以知道，土壤含水的程度，還能保持多少水量，在灌溉上有參考價(jià)值。土壤濕度大小影響田間氣候，土壤通氣性和養(yǎng)分分解，是土壤微生物活動(dòng)和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件之一。

土壤濕度受大氣、土質(zhì)、植被等條件的影響。在野外判斷土壤濕度通常用手來(lái)鑒別，一般分為四級(jí)：（1）濕，用手?jǐn)D壓時(shí)水能從土壤中流出；（2）潮，放在手上留下濕的痕跡可搓成土球或條，但無(wú)水流出；（3）潤(rùn)，放在手上有涼潤(rùn)感覺(jué)，用手壓稍留下印痕；（4）干，放在手上無(wú)涼快感覺(jué)，粘土成為硬塊。

農(nóng)業(yè)氣象上土壤濕度常采用下列方法與單位表示：

①重量百分?jǐn)?shù)。即土壤水的重量占其干土重的百分?jǐn)?shù)(％)。此法應(yīng)用普遍，但土壤類(lèi)型不同，相同的土壤濕度其土壤水分的有效性不同，不便于在不同土壤間進(jìn)行比較。

②田間持水量百分?jǐn)?shù)。即土壤濕度占該類(lèi)土壤田間持水量的百分?jǐn)?shù)(％)。利于在不同土壤間進(jìn)行比較，但不能給出具體水量的概念。

③土壤水分貯存量。指一定深度的土層中含水的數(shù)量，通常以毫米為單位，便于與降水量、蒸發(fā)量比較。土壤水分貯存量W（毫米）的計(jì)算公式為:W＝0.1·h·d·w。式中h是土層厚度，d為土壤容重（克／厘米3）,0.1是單位換算系數(shù)，w為土壤濕度（重量百分?jǐn)?shù)）。

④土壤水勢(shì)或水分勢(shì)是用能量表示的土壤水分含量。其單位為大氣壓或焦／克。為了方便使用，可取數(shù)值的普通對(duì)數(shù)，縮寫(xiě)符號(hào)為pF，稱(chēng)為土壤水的pF值。

1.4 土壤濕度測(cè)量方法

土壤既是一種非均質(zhì)的、多相的、分散的、顆粒化的多孔系統(tǒng)，又是一個(gè)由惰性固體、活性固體、溶質(zhì)、氣體以及水組成的多元復(fù)合系統(tǒng)，其物理特性非常復(fù)雜，并且空間變異性非常大，這就造成了土壤水分測(cè)量的難度。土壤水分測(cè)量方法的深入研究，需要一系列與其相關(guān)的基礎(chǔ)理論支持，尤其是土壤作為一種非均一性多孔吸水介質(zhì)對(duì)其含水量測(cè)量方法的研究涉及到應(yīng)用數(shù)學(xué)、土壤物理、介質(zhì)物理、電磁場(chǎng)理論和微波技術(shù)等多種學(xué)科的并行交叉。而要實(shí)現(xiàn)土壤水分的快速測(cè)量又要考慮到實(shí)時(shí)性要求，這更增加了其技術(shù)難度。

土壤的特性決定了在測(cè)量土壤含水量時(shí)，必須充分考慮到土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤化學(xué)組成、土壤含鹽量等基本物理化學(xué)特性及變化規(guī)律。

①重量法。取土樣烘干，稱(chēng)量其干土重和含水重加以計(jì)算。

②電阻法。使用電阻式土壤濕度測(cè)定儀測(cè)定。根據(jù)土壤溶液的電導(dǎo)性與土壤水分含量的關(guān)系測(cè)定土壤濕度。

③負(fù)壓計(jì)法。使用負(fù)壓計(jì)測(cè)定。當(dāng)未飽和土壤吸水力與器內(nèi)的負(fù)壓力平衡時(shí)，壓力表所示的負(fù)壓力即為土壤吸水力，再據(jù)以求算土壤含水量。

④中子法。使用中子探測(cè)器加以測(cè)定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力與土壤含水量有關(guān)，借助事先標(biāo)定，便可求出土壤含水量。

⑤遙感法。通過(guò)對(duì)低空或衛(wèi)星紅外遙感圖象的判讀，確定較大范圍內(nèi)地表的土壤濕度。

2土壤濕度傳感器概述

2.1土壤濕度傳感器分類(lèi)

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，土壤濕度傳感器已經(jīng)種類(lèi)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(mǎn)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。

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)。

為了獲得良好的感濕性能，希望電容型土壤濕度傳感器的兩級(jí)越接近、作用面積和感濕介質(zhì)的介電常數(shù)變化越大越好，所以通常采用三明治型結(jié)構(gòu)的電容土壤濕度傳感器。它的優(yōu)勢(shì)在于可以使電容型土壤濕度傳感器的兩級(jí)較接近，從而提高電容型土壤濕度傳感器的靈敏度。

圖1為常見(jiàn)的電容型土壤濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。交叉指狀的鋁條構(gòu)成了電容器的兩個(gè)電極，每個(gè)電極有若干鋁條，每條鋁條長(zhǎng)400µm，寬8µm，鋁條間有一定的間距。鋁條及鋁條間的空隙都暴露在空氣中，這使得空氣充當(dāng)電容器的電介質(zhì)。由于空氣的介電常數(shù)隨空氣相對(duì)濕度的變化而變化，電容器的電容值隨之變化，因而該電容器可用作濕度傳感器。多晶硅的作用是制造加熱電阻，該電阻工作時(shí)可以利用熱效應(yīng)排除沾在濕度傳感器表面的可揮發(fā)性物質(zhì)。

電容型土壤濕度傳感器在測(cè)量過(guò)程中，就相當(dāng)于一個(gè)微小電容，對(duì)于電容的測(cè)量，主要涉及到兩個(gè)參數(shù)，即電容值C和品質(zhì)參數(shù)Q。土壤濕度傳感器并不是一個(gè)純電容，它的等效形式如圖11.3虛線部分所示，相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)。

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(guò)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。

濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。

電阻型土壤濕度傳感器可分為兩類(lèi)：電子導(dǎo)電型和離子導(dǎo)電型。電子導(dǎo)電型土壤濕度傳感器也稱(chēng)為“濃縮型土壤濕度傳感器”，它通過(guò)將導(dǎo)電體粉末分散于膨脹性吸濕高分子中制成濕敏膜。隨濕度變化，膜發(fā)生膨脹或收縮，從而使導(dǎo)電粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類(lèi)傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，且難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，所以應(yīng)用較少。離子導(dǎo)電型土壤濕度傳感器，它是高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移率增加，同時(shí)吸附的水分子電離使離子載體增多，膜電導(dǎo)隨濕度增加而增加，由電導(dǎo)的變化可測(cè)知環(huán)境濕度，這類(lèi)傳感器應(yīng)用較多。在電阻型土壤濕度傳感器中通過(guò)使用小尺寸傳感器和高阻值的電阻薄膜，可以改善電流的靜態(tài)損耗。

電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖11.4所示。會(huì)屬層1作為連續(xù)的電極，它與另一個(gè)電極是隔開(kāi)的。活性物質(zhì)被淀積在薄膜上，用來(lái)作為兩個(gè)電極之間的連接，并且這個(gè)連接是通過(guò)感濕傳感層的，濕敏薄膜則直接暴露在空氣中，在金屬層2上挖去一定的區(qū)域直到金屬層1，用這些區(qū)域作為傳感區(qū)。金屬層和金屬層2只是作為電極，它們之問(wèn)是沒(méi)有直接接觸的。整個(gè)傳感器是山許多這樣的小單元組成的。根據(jù)傳感器所需的電阻值的不同，小單元的數(shù)目是可以調(diào)節(jié)的。因?yàn)閮蓚€(gè)電極之問(wèn)的連接只能在每個(gè)小單元中確定，所以整個(gè)傳感器的構(gòu)造可以看成是一系列的平行電阻。

圖4 電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)高分子薄膜電阻型濕度傳感器的物理結(jié)構(gòu)及高分子材料的感濕機(jī)理，可將電阻型濕敏元件的電路等效為一個(gè)電阻和電容并聯(lián)或串聯(lián)的模型，如圖11.5所示。

圖5 電阻型土壤濕度傳感器簡(jiǎn)化電路和等效電路圖

實(shí)際上，圖11.5中的兩種等效方法是一致的，不同的是，采用右圖可以直接得到傳感器阻抗的實(shí)部和虛部，即傳感器的電阻與電容分量，其等效轉(zhuǎn)化如下：

圖片6 轉(zhuǎn)化公式

式中，R0和C0分別是濕度傳感器等效成串聯(lián)模型時(shí)的電阻分量和電容分量；Z0是串聯(lián)模型時(shí)的復(fù)阻抗； Z0為復(fù)阻抗的模。

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(guò)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)模型示意圖如圖11.6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(lèi)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(lèi)也不同，從而具有離子選擇性。

圖7離子型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

離子敏場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)兼有電化學(xué)與MOSFET的雙重特性，與傳統(tǒng)的離子選擇性電極(ISE)相比，ISFET具有體積小、靈敏、響應(yīng)快、無(wú)標(biāo)記、檢測(cè)方便、容易集成化與批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。但是，離子敏場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)與普通的MOSFET相似，只是將MOSFET柵極的多晶硅層移去，用濕敏材料所代替。當(dāng)濕度發(fā)生變化時(shí)，柵極的兩個(gè)金屬電極之間的電勢(shì)會(huì)發(fā)生變化，柵極上濕敏材料的介電常數(shù)的變化將會(huì)影響通過(guò)非導(dǎo)電物質(zhì)的電荷流。

因此，ISFET在生命科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療保健、食品加工、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 三種土壤濕度傳感器的分析比較

通過(guò)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(guò)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(lái)識(shí)別離子的種類(lèi)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(lèi)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(lèi)的傳感器可與CMOS工藝兼容，成本也較低，并且無(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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。