濕度傳感器的應(yīng)用研究

王金寶 谷文 張珽

摘 要：蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司介紹了電容式濕度傳感器的應(yīng)用。根據(jù)不同的濕度傳感器的特點(diǎn)的具體電路原理分析和比較和濕敏感元件的物理、化學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。指出應(yīng)注意事項(xiàng)的濕度測(cè)量。

關(guān)鍵詞：相對(duì)濕度；濕敏元件；濕度測(cè)量電路；電容式濕度傳感器

在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越快速的時(shí)代中，人們生活質(zhì)量明顯提高，對(duì)環(huán)境的溫度與濕度標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越關(guān)注與重視。隨之，我國(guó)相關(guān)部門(mén)針對(duì)溫度測(cè)量以及濕度測(cè)量更進(jìn)一步研究，并結(jié)合多次試驗(yàn)研發(fā)出新型的濕度傳感器，并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中，例如：生活、生產(chǎn)、國(guó)防等多種領(lǐng)域。由于環(huán)境濕度參數(shù)測(cè)量難度較高，要想達(dá)到一定的精標(biāo)準(zhǔn)要求，必須要做到合理濕度控制。

一、濕度的含義以及表示

（一）濕度含義

空氣中的濕度也可以稱(chēng)之為空氣中的含水量，在對(duì)空氣濕度測(cè)量過(guò)程中，我們會(huì)用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、混合比以及飽和壓力等多種物理量進(jìn)行濕度表示，例如：在濕蒸汽和液體水中所測(cè)量的濕度我們稱(chēng)之為蒸汽濕度。一般情況下，濕度與溫度之間有一定的關(guān)聯(lián)，其溫度高濕度就會(huì)大。

（二）絕對(duì)濕度（AH）

絕對(duì)濕度是水蒸氣的質(zhì)量包含在一定體積的空氣，一般其單位是立方米，限制最高濕度的飽和狀態(tài)。由式（1）體現(xiàn)：

其中，蒸汽壓，單位Pa，Rw =461.52 （公斤），對(duì)水的氣體常數(shù)；T表示溫度，單位為K；m表示空氣溶解在水質(zhì)量，單位為G；V表示空氣體積，單位為m3。

（三）相對(duì)濕度（RH）

相對(duì)濕度是指空氣、水蒸氣飽和質(zhì)量相同，空氣的溫度越高，濕度就會(huì)也明顯。經(jīng)過(guò)以上分析得知，溫度與濕度之間有一定的關(guān)系，兩者可以融合在一起應(yīng)用，在兩者的作用下還可以分析出更多的溫度參數(shù)。

進(jìn)行相對(duì)濕度計(jì)算可采用式（2）計(jì)算方法：

計(jì)算式中，ρw表示絕對(duì)濕度，單位為g/m3；ρw，max表示最高濕度，單位為g/m3；E表示飽和蒸汽壓，單位為Pa；s表示比濕，單位為g/kg；S表示最高比濕，單位為g/ kg。

傳統(tǒng)的濕度測(cè)量所選用的器具主要以干濕球和毛發(fā)濕度計(jì)兩種濕度計(jì)為主，其測(cè)量效果低，達(dá)不到精準(zhǔn)測(cè)量要求。這兩種濕度計(jì)制造成本較低、使用方便、操作簡(jiǎn)單，因此適用于濕度測(cè)量要求不高的環(huán)境中。

二、電容式濕度傳感器及其應(yīng)用

測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周?chē)目諝庵形账趾笠鸬奈锢砘蚧瘜W(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周?chē)諝獾臐穸取ｋ娙菔?、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。

（一）特點(diǎn)

不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專(zhuān)利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，有頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。

相對(duì)濕度在0%～100%RH范圍內(nèi)；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于士20%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5 s；溫度系數(shù)為0. 04 pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。

（二）濕度測(cè)量電路

HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/ D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。

集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4，R2與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1用于平衡溫度系數(shù)。

該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源vs通過(guò)R4，R2向c充電，經(jīng)t充電，時(shí)間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67vs，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33vs，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。

三、電容式濕度傳感器的研究

（一）工作原理

很多時(shí)候，我們所選用的感濕方法是直接對(duì)大氣進(jìn)行感濕，這種方法響應(yīng)速度較快，并且具有靈敏高的特點(diǎn)，也正因?yàn)槿绱?，很容易受到環(huán)境因素（大氣中的灰塵等雜物）影響。因此，為了降低影響度，采用電容式濕度傳感器進(jìn)行間接性感濕。也就是說(shuō)，通過(guò)吸附大氣的方式，將大氣中的水汽吸附到其他電介質(zhì)材料中，觀察電子介質(zhì)材料的變化，采用科學(xué)依據(jù)進(jìn)行空氣濕度分析。雖然間接感濕響應(yīng)速度要比直接感濕響應(yīng)速度相對(duì)慢些，但是間接感濕能夠有效地對(duì)環(huán)境影響因素進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到一定的準(zhǔn)確性。

（二）傳感器所用的敏感元件及相關(guān)的物理特性

目前，常見(jiàn)的感濕介質(zhì)有三種，分別是：多孔哇、空氣以及聚酰亞胺，此三種介質(zhì)在濕度傳感器測(cè)量中都有著不同的作用與效應(yīng)。

本傳感器主要和CMOS工藝相聯(lián)系，但是由于多孔哇與CMOS工藝存在矛盾，同時(shí)多孔哇工藝制備條件較高，工藝處理復(fù)雜，孔隙與孔徑大小控制難度大，一致性也不夠好，其感濕機(jī)理比較復(fù)雜。因此CMOS濕度傳感器的主要感濕介質(zhì)將以聚酰亞胺和空氣為主。但是，由于用空氣作為介質(zhì)，比較容易受到外界環(huán)境的干擾，且表面水汽吸附影響較大，對(duì)后序處理也需要極高的要求。

濕敏元件不僅對(duì)大氣濕度響應(yīng)敏感，同時(shí)對(duì)大氣溫度響應(yīng)敏感度也非常高，通常情況下，濕敏元件的溫度系數(shù)應(yīng)維持在0.2%到0.8%RH/℃之間，特殊情況下，濕敏元件的溫度系數(shù)也會(huì)有所變動(dòng)。因此，本傳感器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用聚酰亞胺作為感濕的主要介質(zhì)。

聚酰亞胺的特點(diǎn)有：高溫耐性強(qiáng)，可達(dá)400攝氏度以上，適用于極高溫度測(cè)量，一般作用于200至300攝氏度的環(huán)境中，熔點(diǎn)低，絕緣性能非常強(qiáng)，等級(jí)已經(jīng)處于F-H級(jí)別中，介電損耗率非常低，因此，可以說(shuō)它是感濕介質(zhì)總綜合性能最強(qiáng)的有機(jī)高分子。目前，聚酰亞胺材料以被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域中，并且取得了良好的應(yīng)用效果。例如：航天、航空、納米、液晶、激光等各領(lǐng)域已將其作為主要應(yīng)用材料，并對(duì)其應(yīng)用與作用給予推廣。

根據(jù)對(duì)聚酰亞胺性能的調(diào)查得知，其性能主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)中：第一性能：熱穩(wěn)定性高，聚酰亞胺初分解溫度為500攝氏度左右。聚酰亞胺是由聯(lián)苯四甲酸二酐和對(duì)苯二胺合成，最高分解溫度可達(dá)600攝氏度，它屬于熱穩(wěn)定性最高的一種聚合物材料。第二性能：低溫耐性好，經(jīng)過(guò)多次低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，聚酰亞胺可在-269攝氏度的液態(tài)氦中保持完整性。第三性能：機(jī)械性能，聚酰亞胺的抗張強(qiáng)度最高可達(dá)400Mpa，彈性膜量達(dá)到500Gpa，是一種機(jī)械性能較強(qiáng)的工程塑料，其應(yīng)用性能較好。第四性能：原料回收率高，很多聚酰亞胺對(duì)有機(jī)溶劑很難溶合，耐水解性能較差，正是利用這樣的一種缺點(diǎn)，將聚酰亞胺的特點(diǎn)更推進(jìn)一步，則是可通過(guò)堿性水解對(duì)原料進(jìn)行回收，其二酐和二胺的回收率可達(dá)到百分之八十以上。第五性能：熱脹系數(shù)好，同時(shí)抗輻射性能強(qiáng)。第六性能：介電性能，通常情況下，介電常數(shù)可控制在3.4左右，在氟或者空氣納米的作用下，聚酰亞胺介電常數(shù)可以控制在2.5左右，有效降低介電常數(shù)。其介電損耗率低，通常在10-3之間，介電強(qiáng)度可控制在100到300KV/mm。例如：廣成熱塑性聚酰亞胺為300KV/mm，體積電阻為1017Ω·cm。聚酰亞胺介電性能可維持度高，可大大提高溫度與頻率范圍，使之應(yīng)用效果明顯提高。其他性能：聚酰亞胺除了以上性能，還有自熄性能，屬于發(fā)煙率低的聚合物，同時(shí)放氣量較少，即使在極高的真空下，也會(huì)保持低放氣量。最重要的一點(diǎn)是無(wú)毒性能，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，餐飲、醫(yī)藥等各種服務(wù)業(yè)均可放心應(yīng)用，同時(shí)聚酰亞胺可不受消毒次數(shù)限制。聚酰亞胺還有一些品種的生物相容性較好，可為各種實(shí)驗(yàn)室作為首選材料，例如：血液、細(xì)胞等實(shí)驗(yàn)中均可引用。

（三）傳感器數(shù)學(xué)模型

要想提高濕度傳感器的感濕性能，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，電容濕度傳感器的兩極設(shè)計(jì)，作用面設(shè)計(jì)、感濕介質(zhì)設(shè)計(jì)以及介電常數(shù)控制等都需要根據(jù)相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)進(jìn)行參考與分析。提高工作制作手法，確保兩級(jí)間距合理化，同時(shí)還要將傳感器的響應(yīng)時(shí)間、線性度以及滯回等方面進(jìn)行全面考慮，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要不斷經(jīng)過(guò)試驗(yàn)取得有效結(jié)果。這里選用類(lèi)似于W型的結(jié)構(gòu)。W型的電容濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于，電容的兩極比較接近，提高了電容濕度傳感器的靈敏度。其中的介質(zhì)1和介質(zhì)2都用聚酰亞胺作為濕敏材料。

（四）系統(tǒng)測(cè)量電路

在測(cè)量時(shí)，主要是將濕度傳感器加入到多諧振蕩器電路中。

利用多諧振蕩器的功能，可以將敏感電容的頻變通過(guò)電路轉(zhuǎn)變成電路輸出頻率的頻變，經(jīng)過(guò)濕度傳感器進(jìn)行濕度參數(shù)值確定，并通過(guò)電路將表示濕度的相應(yīng)數(shù)字呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化輸出與控制。

多諧振蕩電路的測(cè)量主要通過(guò)開(kāi)關(guān)（S1、S2）可受輸出電壓（VO）進(jìn)行有效控制為運(yùn)行原理。運(yùn)行中輸出電壓VO若是過(guò)高，S1、S2則成斷開(kāi)與閉合狀態(tài)，此時(shí)Cs進(jìn)入充電模式。若是輸出電壓較低時(shí)，S1、S2成開(kāi)啟狀態(tài)，Cs則處于放電模式。多諧振蕩電路通過(guò)Cs的自動(dòng)充電（放電）功能，使電壓值（Vs）的變化從而引起施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。持續(xù)反復(fù)以上狀態(tài)，使輸出電壓信號(hào)V0為一周期性方波。若是Cs充電（放電）的電流處于同等狀態(tài)，均為Is，此種方波稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)方波。

Cs上的電荷變化為：Cs·Vsh-Cs·Vs1=Is·

如果定義，對(duì)于上述施密特觸發(fā)器的T/2周期時(shí)間為T(mén)/2=（VhCs）/Is。

電路輸出頻率為f0=Is /（2VhCs），傳感器電容Cs的值可受外界濕度的變化而影響，所輸出的頻率是另一組濕度RH的函數(shù)，即f0=f0（RH），以上所測(cè)量的電路結(jié)果是介電常數(shù)和敏感電容的比值，將電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率變化，進(jìn)而輸出可帶有表示意義的數(shù)字特性。這種只是針對(duì)于外界濕度的變化而進(jìn)行頻率定標(biāo)，而當(dāng)外界濕度處于恒定狀態(tài)時(shí)，則需要解決的是頻率與時(shí)間周期的穩(wěn)定性，包括穩(wěn)定漂移等問(wèn)題。以此，針對(duì)這些問(wèn)題應(yīng)該作進(jìn)一步研究，并作出一個(gè)合理的方案，目前，可依據(jù)原濕度傳感器的結(jié)構(gòu)以及濕度敏感電容作為參考與斟酌對(duì)象，利用濕度不敏感的電容進(jìn)行測(cè)量，使環(huán)境漂移度控制在零標(biāo)準(zhǔn)上。在不敏感電容和感濕電容對(duì)多諧振蕩電路進(jìn)行交替開(kāi)關(guān)過(guò)程中，頻率和時(shí)間周期的反應(yīng)便可以作為濕度測(cè)量參數(shù)值。

四、總結(jié)

由于濕度傳感器無(wú)密封性特點(diǎn)，因此很容易受到外界因素的干擾，所以，要想達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量則需要對(duì)含有酸、堿以及有機(jī)溶劑的介質(zhì)控制，同時(shí)更需要降低空氣中塵埃的影響率，最好選用較小的空間。若是濕度傳感器受到時(shí)間與距離的制約，則需要考慮信號(hào)衰弱問(wèn)題，若是距離已經(jīng)超出二百米，則需要采用具備頻率輸出信號(hào)功能的濕度傳感器。同時(shí)還要不斷提高濕度傳感器的制造工藝水平，開(kāi)發(fā)更多的電路補(bǔ)償功能，為提高濕度傳感器的研究做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

致謝

這里我也要感謝本論文所引用的各位學(xué)者的專(zhuān)著，如果沒(méi)有這些學(xué)者的研究成果的啟發(fā)和幫助，我將無(wú)法完成項(xiàng)目編號(hào)BC2014127論文的最終寫(xiě)作。至此，我也要感謝我的領(lǐng)導(dǎo)和同事，他們?cè)谖覍?xiě)論文的過(guò)程中給予我了很多有用的素材，也在論文的排版和撰寫(xiě)過(guò)程中提供熱情的幫助！金無(wú)足赤，人無(wú)完人。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位學(xué)者批評(píng)和指正！

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯辰，萬(wàn)衡，王凱凱.高分子電容型濕度傳感器研制[J].電子器件，2016（03）.

[2] Shyam Tiwari.無(wú)需電池供電的遠(yuǎn)程濕度傳感器[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2002（10）.

項(xiàng)目名稱(chēng)：面向智能設(shè)備配套的集成MEMS濕度傳感器研發(fā)（項(xiàng)目編號(hào)：BC2014127），感謝江蘇省科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金的支持。