濕度傳感器的應用研究

王金寶 谷文 張珽

摘 要：蘇州能斯達電子科技有限公司介紹了電容式濕度傳感器的應用。根據不同的濕度傳感器的特點的具體電路原理分析和比較和濕敏感元件的物理、化學性質和電學性質。指出應注意事項的濕度測量。

關鍵詞：相對濕度；濕敏元件；濕度測量電路；電容式濕度傳感器

在國家經濟發展越來越快速的時代中，人們生活質量明顯提高，對環境的溫度與濕度標準越來越關注與重視。隨之，我國相關部門針對溫度測量以及濕度測量更進一步研究，并結合多次試驗研發出新型的濕度傳感器，并已經被廣泛應用于各領域中，例如：生活、生產、國防等多種領域。由于環境濕度參數測量難度較高，要想達到一定的精標準要求，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之為空氣中的含水量，在對空氣濕度測量過程中，我們會用絕對濕度、相對濕度、混合比以及飽和壓力等多種物理量進行濕度表示，例如：在濕蒸汽和液體水中所測量的濕度我們稱之為蒸汽濕度。一般情況下，濕度與溫度之間有一定的關聯，其溫度高濕度就會大。

（二）絕對濕度（AH）

絕對濕度是水蒸氣的質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。由式（1）體現：

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

（三）相對濕度（RH）

相對濕度是指空氣、水蒸氣飽和質量相同，空氣的溫度越高，濕度就會也明顯。經過以上分析得知，溫度與濕度之間有一定的關系，兩者可以融合在一起應用，在兩者的作用下還可以分析出更多的溫度參數。

進行相對濕度計算可采用式（2）計算方法：

計算式中，ρw表示絕對濕度，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。

傳統的濕度測量所選用的器具主要以干濕球和毛發濕度計兩種濕度計為主，其測量效果低，達不到精準測量要求。這兩種濕度計制造成本較低、使用方便、操作簡單，因此適用于濕度測量要求不高的環境中。

二、電容式濕度傳感器及其應用

測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據某種物質從其周圍的空氣中吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據其高分子材料吸濕后的介電常數、電阻率和體積隨之發生變化而進行濕度測量的。下面介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應用。

（一）特點

不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，有頂端接觸（HS1100）和側面接觸（HS1101）兩種封裝產品，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插件和自動裝配過程等。

相對濕度在0%～100%RH范圍內；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于士20%RH；響應時間小于5 s；溫度系數為0. 04 pF/℃。可見精度是較高的。

（二）濕度測量電路

HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接受的信號，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再A/ D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。

集成定時器555芯片外接電阻R4，R2與濕敏電容C，構成了對C的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發生器。另外，R3是防止輸出短路的保護電阻，R1用于平衡溫度系數。

該振蕩電路兩個暫穩態的交替過程如下：首先電源vs通過R4，R2向c充電，經t充電，時間后，Uc達到芯片內比較器的高觸發電平，約0.67vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發電平，約0.33vs，此時輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此翻來覆去，形成方波輸出。

三、電容式濕度傳感器的研究

（一）工作原理

很多時候，我們所選用的感濕方法是直接對大氣進行感濕，這種方法響應速度較快，并且具有靈敏高的特點，也正因為如此，很容易受到環境因素（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行間接性感濕。也就是說，通過吸附大氣的方式，將大氣中的水汽吸附到其他電介質材料中，觀察電子介質材料的變化，采用科學依據進行空氣濕度分析。雖然間接感濕響應速度要比直接感濕響應速度相對慢些，但是間接感濕能夠有效地對環境影響因素進行控制，進而達到一定的準確性。

（二）傳感器所用的敏感元件及相關的物理特性

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

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

濕敏元件不僅對大氣濕度響應敏感，同時對大氣溫度響應敏感度也非常高，通常情況下，濕敏元件的溫度系數應維持在0.2%到0.8%RH/℃之間，特殊情況下，濕敏元件的溫度系數也會有所變動。因此，本傳感器的設計中，應采用聚酰亞胺作為感濕的主要介質。

聚酰亞胺的特點有：高溫耐性強，可達400攝氏度以上，適用于極高溫度測量，一般作用于200至300攝氏度的環境中，熔點低，絕緣性能非常強，等級已經處于F-H級別中，介電損耗率非常低，因此，可以說它是感濕介質總綜合性能最強的有機高分子。目前，聚酰亞胺材料以被廣泛應用到各領域中，并且取得了良好的應用效果。例如：航天、航空、納米、液晶、激光等各領域已將其作為主要應用材料，并對其應用與作用給予推廣。

根據對聚酰亞胺性能的調查得知，其性能主要表現在以下幾點中：第一性能：熱穩定性高，聚酰亞胺初分解溫度為500攝氏度左右。聚酰亞胺是由聯苯四甲酸二酐和對苯二胺合成，最高分解溫度可達600攝氏度，它屬于熱穩定性最高的一種聚合物材料。第二性能：低溫耐性好，經過多次低溫試驗結果表明，聚酰亞胺可在-269攝氏度的液態氦中保持完整性。第三性能：機械性能，聚酰亞胺的抗張強度最高可達400Mpa，彈性膜量達到500Gpa，是一種機械性能較強的工程塑料，其應用性能較好。第四性能：原料回收率高，很多聚酰亞胺對有機溶劑很難溶合，耐水解性能較差，正是利用這樣的一種缺點，將聚酰亞胺的特點更推進一步，則是可通過堿性水解對原料進行回收，其二酐和二胺的回收率可達到百分之八十以上。第五性能：熱脹系數好，同時抗輻射性能強。第六性能：介電性能，通常情況下，介電常數可控制在3.4左右，在氟或者空氣納米的作用下，聚酰亞胺介電常數可以控制在2.5左右，有效降低介電常數。其介電損耗率低，通常在10-3之間，介電強度可控制在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，屬于發煙率低的聚合物，同時放氣量較少，即使在極高的真空下，也會保持低放氣量。最重要的一點是無毒性能，擴大了應用范圍，餐飲、醫藥等各種服務業均可放心應用，同時聚酰亞胺可不受消毒次數限制。聚酰亞胺還有一些品種的生物相容性較好，可為各種實驗室作為首選材料，例如：血液、細胞等實驗中均可引用。

（三）傳感器數學模型

要想提高濕度傳感器的感濕性能，需要對其結構進行合理設計，電容濕度傳感器的兩極設計，作用面設計、感濕介質設計以及介電常數控制等都需要根據相應的科學依據進行參考與分析。提高工作制作手法，確保兩級間距合理化，同時還要將傳感器的響應時間、線性度以及滯回等方面進行全面考慮，在設計過程中，要不斷經過試驗取得有效結果。這里選用類似于W型的結構。W型的電容濕度傳感器的優點在于，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1和介質2都用聚酰亞胺作為濕敏材料。

（四）系統測量電路

在測量時，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電路轉變成電路輸出頻率的頻變，經過濕度傳感器進行濕度參數值確定，并通過電路將表示濕度的相應數字呈現出來，實現智能化輸出與控制。

多諧振蕩電路的測量主要通過開關（S1、S2）可受輸出電壓（VO）進行有效控制為運行原理。運行中輸出電壓VO若是過高，S1、S2則成斷開與閉合狀態，此時Cs進入充電模式。若是輸出電壓較低時，S1、S2成開啟狀態，Cs則處于放電模式。多諧振蕩電路通過Cs的自動充電（放電）功能，使電壓值（Vs）的變化從而引起施密特觸發器翻轉。持續反復以上狀態，使輸出電壓信號V0為一周期性方波。若是Cs充電（放電）的電流處于同等狀態，均為Is，此種方波稱為對稱方波。

Cs上的電荷變化為：Cs·Vsh-Cs·Vs1=Is·

如果定義，對于上述施密特觸發器的T/2周期時間為T/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，即f0=f0（RH），以上所測量的電路結果是介電常數和敏感電容的比值，將電容的變化轉換成頻率變化，進而輸出可帶有表示意義的數字特性。這種只是針對于外界濕度的變化而進行頻率定標，而當外界濕度處于恒定狀態時，則需要解決的是頻率與時間周期的穩定性，包括穩定漂移等問題。以此，針對這些問題應該作進一步研究，并作出一個合理的方案，目前，可依據原濕度傳感器的結構以及濕度敏感電容作為參考與斟酌對象，利用濕度不敏感的電容進行測量，使環境漂移度控制在零標準上。在不敏感電容和感濕電容對多諧振蕩電路進行交替開關過程中，頻率和時間周期的反應便可以作為濕度測量參數值。

四、總結

由于濕度傳感器無密封性特點，因此很容易受到外界因素的干擾，所以，要想達到準確測量則需要對含有酸、堿以及有機溶劑的介質控制，同時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間與距離的制約，則需要考慮信號衰弱問題，若是距離已經超出二百米，則需要采用具備頻率輸出信號功能的濕度傳感器。同時還要不斷提高濕度傳感器的制造工藝水平，開發更多的電路補償功能，為提高濕度傳感器的研究做好基礎準備。

致謝

這里我也要感謝本論文所引用的各位學者的專著，如果沒有這些學者的研究成果的啟發和幫助，我將無法完成項目編號BC2014127論文的最終寫作。至此，我也要感謝我的領導和同事，他們在我寫論文的過程中給予我了很多有用的素材，也在論文的排版和撰寫過程中提供熱情的幫助！金無足赤，人無完人。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位學者批評和指正！

參考文獻：

[1] 湯辰，萬衡，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.無需電池供電的遠程濕度傳感器[J].電子設計技術，2002（10）.

項目名稱：面向智能設備配套的集成MEMS濕度傳感器研發（項目編號：BC2014127），感謝江蘇省科技型企業技術創新資金的支持。