對(duì)于許多應(yīng)用來說，MEMS集成電路技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)將復(fù)雜的濕度測(cè)量技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單、低成本的傳感器。這些傳感器可能并不適用于所有應(yīng)用;然而，它們?cè)谙鄬?duì)清潔的環(huán)境條件下工作得很好。天氣監(jiān)測(cè)和空調(diào)可能是顯而易見的選擇，盡管其他應(yīng)用還包括食品儲(chǔ)存、倉庫和印刷的濕度控制等。此外，化工和制藥等工業(yè)過程最好在可控濕度下進(jìn)行，電子組裝需要避免低濕度，以防止靜電放電損害。
在本文中，我們將介紹使用電容傳感進(jìn)行濕度測(cè)量的一些基礎(chǔ)知識(shí)，MEMS濕度傳感器的典型類型、性能、應(yīng)用和其他注意事項(xiàng)。
電容式濕度傳感器測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)
濕度是由電容利用濕敏介質(zhì)來感知的。圖1說明了電容式濕度傳感器的高級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖 1. 電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。圖片使用由XY提供
在制作電容式濕度傳感器時(shí)，電極首先沉積在襯底上，通常是硅襯底。接下來，沉積一層薄薄的對(duì)濕度敏感的電介質(zhì)層，通常是聚合物，然后在上面添加第二個(gè)透濕電極。最后，傳感器上覆蓋了一層透水層，以防止污染和凝結(jié)。MEMS IC傳感器包括將電容測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬輸出所需的電路。
水分子是高度極化的(介電常數(shù)約為80)，比聚合物高得多。當(dāng)電介質(zhì)吸收水蒸氣時(shí)，它的介電常數(shù)增加，從而增加電容。在較低的濕度下，電介質(zhì)會(huì)釋放一些水分，電容就會(huì)下降。其變化與相對(duì)濕度呈線性關(guān)系，受溫度影響較小。在正常應(yīng)用中應(yīng)具有良好的長期穩(wěn)定性。
另一個(gè)屬性是電容很小。非MEMS傳感器（僅電容，無電子元件）通常指定200 pF或更低，從0到100%RH的變化小于20%。幾英寸的連接線或電纜會(huì)導(dǎo)致重大誤差，測(cè)量電路的電容也是如此。然而，對(duì)于MEMS傳感器，測(cè)量電路是內(nèi)置的，校準(zhǔn)基于總電容。
微機(jī)電系統(tǒng)濕度傳感器概述
圖2.典型的MEMS IC濕度傳感器示例（左），該傳感器也可帶保護(hù)蓋（右）
這些傳感器通?？雌饋硐駱?biāo)準(zhǔn)的表面貼裝IC，但有一個(gè)傳感器開口。圖2（左）顯示了開口，而圖2（右）增加了一個(gè)可選的保護(hù)過濾器蓋。通常，這些傳感器的尺寸為2或3毫米見方，成本僅為幾美元。
再深入一點(diǎn)，圖3顯示了一個(gè)示例功能圖，其中包括溫度測(cè)量。
如果您需要計(jì)算露點(diǎn)，溫度可能特別有用（我們將在下一節(jié)中介紹這個(gè)概念），這需要RH和溫度。大多數(shù)IC還在內(nèi)部使用它來補(bǔ)償濕度傳感器的溫度系數(shù)。需要注意的是，大多數(shù)基于電容的傳感器測(cè)量的是相對(duì)濕度，而不是露點(diǎn)。
初始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以數(shù)字方式存儲(chǔ)，因此如上所述，諸如增加電容之類的誤差將被校準(zhǔn)掉。除了溫度補(bǔ)償外，該程序還校正傳感器的非線性。幾乎所有傳感器都使用I2C（集成電路間）串行通信，通常與SPI（串行外設(shè)接口）總線兼容，有些甚至具有模擬輸出，我們將在稍后介紹。
露點(diǎn)與相對(duì)濕度
露點(diǎn)測(cè)量的是絕對(duì)濕度，而不是相對(duì)濕度。這意味著相對(duì)濕度隨溫度而變化，但絕對(duì)濕度不隨溫度而變化。從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)需要溫度并使用復(fù)雜的方程。您可以搜索計(jì)算露點(diǎn)以查找在線計(jì)算器，就像這里的示例一樣。圖4顯示了露點(diǎn)與空氣溫度的轉(zhuǎn)換圖。
圖 4.RH 露點(diǎn)轉(zhuǎn)換圖
近似值，+3%的相對(duì)濕度精度轉(zhuǎn)換為約+0.6 °C（1.1°F）露點(diǎn)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(biāo)。
濕度測(cè)量精度：對(duì)于 20% 到 80% 之間的濕度，這些精度通常在 ±02% 到 ±5% RH 之間運(yùn)行。傳感器的工作范圍為0%至100%（非冷凝），但精度較寬松。仔細(xì)閱讀規(guī)格：有些指定了典型精度，而不是最大值。溫度精度一般優(yōu)于±1°C。
溫度范圍：大多數(shù)工作溫度范圍至少為 -25 °C 至 +85 °C，有些范圍更寬。然而，有時(shí)RH精度聲明并不能覆蓋整個(gè)溫度范圍，尤其是極端的低溫或最高溫度。一些規(guī)格表對(duì)此不清楚。
校準(zhǔn)：這些傳感器校準(zhǔn)會(huì)隨著時(shí)間的推移而緩慢變化。正常使用時(shí)，典型規(guī)格為每年 ±0.5% RH。在高濕度下延長時(shí)間可以加速這種性能轉(zhuǎn)變。污染物也會(huì)導(dǎo)致問題。一些傳感器包括一個(gè)加熱器，可以激活該加熱器以進(jìn)行漂移校正。
響應(yīng)時(shí)間：這些類型的傳感器的響應(yīng)時(shí)間通常在很大程度上取決于氣流。典型規(guī)格是在 5 到 10 秒內(nèi)實(shí)現(xiàn) 63% 的響應(yīng)，每秒 1 米的氣流。帶有保護(hù)性濾波器蓋的傳感器將慢得多，并且響應(yīng)時(shí)間可能未指定。這只適用于快速變化的濕度，例如使用噴水或蒸汽來增加濕度的控制系統(tǒng)。
挑戰(zhàn)：凝結(jié)或潮濕的水是一個(gè)問題，但在清潔應(yīng)用（無污染物或化學(xué)品）中，傳感器最終應(yīng)該恢復(fù)。幾個(gè)傳感器指定冷凝后恢復(fù) 5 秒或 10 秒。在嚴(yán)重的情況下，如果您的傳感器有漂移校正加熱器，則可以使用漂移校正加熱器。
請(qǐng)注意，我沒有找到關(guān)于液體形式的水的規(guī)格說明。傳感器應(yīng)該被適當(dāng)屏蔽，這會(huì)減慢它的響應(yīng)。當(dāng)然，電路板無論如何都不應(yīng)該弄濕。
模擬輸出：在研究本文時(shí)，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傳感器（測(cè)量專業(yè)）。兩者內(nèi)部均為數(shù)字，如圖3所示，但增加了數(shù)模轉(zhuǎn)換以提供模擬RH和溫度輸出。有一些較舊的傳感器是純模擬的，但它們不包括存儲(chǔ)的校準(zhǔn)，線性化或溫度補(bǔ)償。
電容式MEMS濕度傳感器應(yīng)用
電容式MEMS濕度傳感器可用于工業(yè)和倉儲(chǔ)應(yīng)用，而不僅僅是天氣和空調(diào)。從個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來看，我曾經(jīng)參與過一個(gè)使用MEMS傳感器控制大型工業(yè)控制柜中的溫度和濕度的項(xiàng)目。另一個(gè)例子是美國國家氣象局（NWS）從復(fù)雜的，維護(hù)密集型的冷鏡露點(diǎn)測(cè)量切換到用于自動(dòng)機(jī)場(chǎng)氣象站的定制修改電容式傳感器。
如前所述，這些類型的傳感器最常用的應(yīng)用是空調(diào)，從廣義上講，它可以包括：
在印刷（以獲得最佳的油墨附著力）和紙張儲(chǔ)存（以防止卷曲，起皺和尺寸變化）中的濕度控制。
食物儲(chǔ)存，特別是水果和蔬菜。濕度控制還可以減少肉類和魚類中的細(xì)菌生長。
制藥和其他制造業(yè)。
靜電控制，以避免潛在的破壞性或爆炸性放電。在電子裝配中，放電會(huì)損壞或破壞集成電路。
木工和塑料注塑成型可以通過濕度控制來改善。
