MEMS電容式濕度傳感器背后的基礎知識

MEMS IC 技術(shù)的進步已將復雜的濕度測量技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵巍⒌统杀镜?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器。這些傳感器可能無法滿足所有應用；然而，它們在相對干凈的擴展環(huán)境條件下工作良好。天氣監(jiān)測和空調(diào)可能是顯而易見的選擇，盡管其他選擇包括用于食品儲存、倉儲和印刷的濕度控制。此外，化學和制藥等工業(yè)過程在受控濕度下進行，電子組裝需要避免低濕度以防止靜電放電損壞。

在本文中，我們將介紹使用電容感應進行濕度測量的一些基礎知識、典型類型的 MEMS 濕度傳感器、它們的性能、應用和其他注意事項。

電容式濕度傳感器測量基礎

濕度是通過使用對濕度敏感的電介質(zhì)的電容來感測的。圖 1 說明了電容式濕度傳感器的構(gòu)造基礎。

圖 1.電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。圖片由 XY 提供

在創(chuàng)建電容式濕度傳感器時，首先將電極沉積在基板上，通常是硅。接下來，沉積一層薄的濕度敏感介電層（通常是聚合物），并在頂部添加第二個透濕電極。，傳感器覆蓋有一層可滲透層，以保護其免受污染和冷凝。MEMS IC 傳感器包括將電容測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬輸出所需的電路，并使用 IC 方法制造。

水分子高度極化（介電常數(shù)約為 80），比聚合物高得多。當電介質(zhì)吸收水蒸氣時，其介電常數(shù)增加，從而增加電容。在較低的濕度下，電介質(zhì)會放出一些水，電容會回落。這種變化幾乎與 RH（相對濕度）呈線性關系，并且僅受溫度的輕微影響。在正常應用中長期穩(wěn)定性應該很好。

另一個屬性是電容小。非 MEMS 傳感器（僅電容，無電子設備）通常指定 200 pF 或更低，并且從 0 到 100% RH 的變化小于 20%。幾英寸長的連接線或電纜會導致明顯的誤差，測量電路的電容也會產(chǎn)生這種情況。但是，對于 MEMS 傳感器，測量電路是內(nèi)置的，并且校準基于總電容。

MEMS 濕度傳感器概述

圖 2 顯示了兩個示例 MEMS 傳感器。

圖 2.典型的 MEMS IC 濕度傳感器示例（左），也可提供保護蓋（右）。圖片 ［已修改］ 使用由TI提供

這些傳感器通?？雌饋硐駱藴实谋砻尜N裝 IC，但有一個用于傳感器的開口。圖 2（左）顯示了開口，而圖 2（右）添加了一個可選的保護過濾器蓋。通常，這些傳感器的尺寸為 2 或 3 平方毫米，成本僅為幾美元。

深入研究，圖 3 顯示了一個示例功能圖，其中包括溫度測量。

圖 3. 示例 MEMS IC 濕度傳感器測量系統(tǒng)框圖。圖片由TI 和貿(mào)澤提供

如果您需要計算露點（我們將在下一節(jié)中介紹這個概念），溫度會特別有用，這需要 RH 和溫度。大多數(shù) IC 還在內(nèi)部使用它來補償濕度傳感器的溫度系數(shù)。請務必注意，大多數(shù)基于電容的傳感器測量的是 RH，而不是露點。

初始校準數(shù)據(jù)以數(shù)字方式存儲，因此，如上所述，附加電容等誤差會被校準掉。除溫度補償外，該程序還可以校正傳感器的非線性。幾乎所有傳感器都使用I2C（內(nèi)部集成電路）串行通信，通常與SPI（串行外設接口）總線兼容，有些甚至具有模擬輸出，我們稍后會介紹。

露點與相對濕度

露點測量的是濕度，而不是相對濕度。這意味著 RH 隨溫度變化，但濕度不隨溫度變化。從一種轉(zhuǎn)換為另一種需要溫度并使用復雜的方程式。您可以搜索“計算露點”以查找在線計算器，例如此處的示例。下面的圖 4 顯示了露點與空氣溫度的轉(zhuǎn)換圖。

圖 4. RH 露點轉(zhuǎn)換圖。圖片由 Easchiff 通過 Wikipedia Commons CC BY-SA 4.0提供

作為近似值，+3% 的 RH 精度轉(zhuǎn)換為大約 +0.6 °C （1.1 °F） 的露點精度。

典型的濕度傳感器性能、特性和功能

下面，讓我們概述一下通用 MEMS 濕度傳感器的一些基本性能指標。

濕度測量精度： 對于 20% 和 80% 之間的濕度，這些精度通常在 ±02% 和 ±5% RH 之間運行。傳感器的工作范圍為 0% 到 100%（非冷凝），但精度較低。仔細閱讀規(guī)格：有些指定典型精度，而不是精度。溫度精度通常優(yōu)于 ±1 °C。

溫度范圍： 大多數(shù)至少在 -25 °C 至 +85 °C 范圍內(nèi)工作，有些更寬。不過，有時 RH 精度聲明并未涵蓋整個溫度范圍，尤其是極低或極高的溫度范圍。一些規(guī)格表對此并不清楚。

校準： 這些傳感器校準會隨著時間緩慢變化。在正常使用情況下，典型規(guī)格為每年 ±0.5% RH。在高濕度下延長時間可以加速這種性能轉(zhuǎn)變。污染物也會引起問題。一些傳感器包括一個加熱器，可以激活它來進行漂移校正。

響應時間： 此類傳感器的響應時間通常在很大程度上取決于氣流。典型規(guī)格是 63% 的響應在 5 到 10 秒內(nèi)，氣流為每秒 1 米。帶有保護過濾器蓋的傳感器會慢得多，并且可能沒有指定響應時間。這僅對快速變化的濕度很重要，例如使用噴水或蒸汽來增加濕度的控制系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)： 冷凝水或濕水是一個問題，但在清潔應用（無污染物或化學品）中，傳感器終應該會恢復。幾個傳感器指定冷凝后 5 或 10 秒的恢復時間。在嚴重的情況下，如果您的傳感器有漂移校正加熱器，則可以使用它。

請注意，我沒有找到關于液態(tài)水的規(guī)格。應適當屏蔽傳感器，這會減慢其響應速度。當然，無論如何電路板都不應該弄濕。

模擬輸出： 在研究本文時，我發(fā)現(xiàn)只有兩家制造商在 MEMS IC 傳感器上提供模擬輸出，Sensirion 和 TE Sensors （Measurement Specialties）。兩者內(nèi)部都是數(shù)字的，如圖 3 所示，但添加了數(shù)模轉(zhuǎn)換以提供模擬 RH 和溫度輸出。有一些較舊的純模擬傳感器，但它們不包括存儲校準、線性化或溫度補償。

電容式 MEMS 濕度傳感器應用

電容式 MEMS 濕度傳感器可以服務于工業(yè)和倉儲應用，而不僅僅是天氣和空調(diào)。就個人經(jīng)歷來說，我曾經(jīng)參與過一個項目，用MEMS傳感器來控制大型工控柜的溫濕度。另一個例子是國家氣象局 （NWS） 如何將 ［PDF］從復雜的、維護密集型冷鏡露點測量轉(zhuǎn)換為用于機場自動化氣象站的定制修改電容傳感器。

如前所述，這些類型的傳感器常用的應用是空調(diào)，從廣義上講，它可以包括：

印刷過程中的濕度控制（為了獲得的油墨附著力）和紙張儲存過程中的濕度控制（為了防止卷曲、起皺和尺寸變化）。

食物儲存，尤其是水果和蔬菜。濕度控制還可以減少肉和魚中的細菌生長。

制藥等制造業(yè)。

靜電控制，以避免潛在的破壞性或爆炸性放電。在電子組裝中，放電會損壞或毀壞集成電路。

木工和塑料注射成型可以通過濕度控制得到改善。

濕度傳感器注意事項和提示

電路板組件是濕度傳感器需要考慮的主要預防措施。一些提示是：

切勿清潔帶有開路傳感器的電路板。

使用免清洗焊料和助焊劑。

即使您的傳感器有過濾器保護蓋，也要小心！遵循制造商的建議。

不要讓保形涂層接觸到傳感器。

避免揮發(fā)性溶劑和有機化學品。除氣會擾亂校準，有時是不可逆轉(zhuǎn)的。

避免酸、堿、H 2 O 2和高臭氧濃度。

不要將空氣直接吹向傳感器，尤其是可能含有油的壓縮空氣。換句話說，保持清潔！