湿度传感器的应用研究

王金宝 谷文 张珽

摘 要：苏州能斯达电子科技有限公司介绍了电容式湿度传感器的应用。根据不同的湿度传感器的特点的具体电路原理分析和比较和湿敏感元件的物理、化学性质和电学性质。指出应注意事项的湿度测量。

关键词：相对湿度；湿敏元件；湿度测量电路；电容式湿度传感器

在国家经济发展越来越快速的时代中，人们生活质量明显提高，对环境的温度与湿度标准越来越关注与重视。随之，我国相关部门针对温度测量以及湿度测量更进一步研究，并结合多次试验研发出新型的湿度传感器，并已经被广泛应用于各领域中，例如：生活、生产、国防等多种领域。由于环境湿度参数测量难度较高，要想达到一定的精标准要求，必须要做到合理湿度控制。

一、湿度的含义以及表示

（一）湿度含义

空气中的湿度也可以称之为空气中的含水量，在对空气湿度测量过程中，我们会用绝对湿度、相对湿度、混合比以及饱和压力等多种物理量进行湿度表示，例如：在湿蒸汽和液体水中所测量的湿度我们称之为蒸汽湿度。一般情况下，湿度与温度之间有一定的关联，其温度高湿度就会大。

（二）绝对湿度（AH）

绝对湿度是水蒸气的质量包含在一定体积的空气，一般其单位是立方米，限制最高湿度的饱和状态。由式（1）体现：

其中，蒸汽压，单位Pa，Rw =461.52 （公斤），对水的气体常数；T表示温度，单位为K；m表示空气溶解在水质量，单位为G；V表示空气体积，单位为m3。

（三）相对湿度（RH）

相对湿度是指空气、水蒸气饱和质量相同，空气的温度越高，湿度就会也明显。经过以上分析得知，温度与湿度之间有一定的关系，两者可以融合在一起应用，在两者的作用下还可以分析出更多的温度参数。

进行相对湿度计算可采用式（2）计算方法：

计算式中，ρw表示絕对湿度，单位为g/m3；ρw，max表示最高湿度，单位为g/m3；E表示饱和蒸汽压，单位为Pa；s表示比湿，单位为g/kg；S表示最高比湿，单位为g/ kg。

传统的湿度测量所选用的器具主要以干湿球和毛发湿度计两种湿度计为主，其测量效果低，达不到精准测量要求。这两种湿度计制造成本较低、使用方便、操作简单，因此适用于湿度测量要求不高的环境中。

二、电容式湿度传感器及其应用

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。

（一）特点

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，有顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，適宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不大于士20%RH；响应时间小于5 s；温度系数为0. 04 pF/℃。可见精度是较高的。

（二）湿度测量电路

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/ D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。

集成定时器555芯片外接电阻R4，R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源vs通过R4，R2向c充电，经t充电，时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33vs，此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去，形成方波输出。

三、电容式湿度传感器的研究

（一）工作原理

很多时候，我们所选用的感湿方法是直接对大气进行感湿，这种方法响应速度较快，并且具有灵敏高的特点，也正因为如此，很容易受到环境因素（大气中的灰尘等杂物）影响。因此，为了降低影响度，采用电容式湿度传感器进行间接性感湿。也就是说，通过吸附大气的方式，将大气中的水汽吸附到其他电介质材料中，观察电子介质材料的变化，采用科学依据进行空气湿度分析。虽然间接感湿响应速度要比直接感湿响应速度相对慢些，但是间接感湿能够有效地对环境影响因素进行控制，进而达到一定的准确性。

（二）传感器所用的敏感元件及相关的物理特性

目前，常见的感湿介质有三种，分别是：多孔哇、空气以及聚酰亚胺，此三种介质在湿度传感器测量中都有着不同的作用与效应。

本传感器主要和CMOS工艺相联系，但是由于多孔哇与CMOS工艺存在矛盾，同时多孔哇工艺制备条件较高，工艺处理复杂，孔隙与孔径大小控制难度大，一致性也不够好，其感湿机理比较复杂。因此CMOS湿度传感器的主要感湿介质将以聚酰亚胺和空气为主。但是，由于用空气作为介质，比较容易受到外界环境的干扰，且表面水汽吸附影响较大，对后序处理也需要极高的要求。

湿敏元件不仅对大气湿度响应敏感，同时对大气温度响应敏感度也非常高，通常情况下，湿敏元件的温度系数应维持在0.2%到0.8%RH/℃之间，特殊情况下，湿敏元件的温度系数也会有所变动。因此，本传感器的设计中，应采用聚酰亚胺作为感湿的主要介质。

聚酰亚胺的特点有：高温耐性强，可达400摄氏度以上，适用于极高温度测量，一般作用于200至300摄氏度的环境中，熔点低，绝缘性能非常强，等级已经处于F-H级别中，介电损耗率非常低，因此，可以说它是感湿介质总综合性能最强的有机高分子。目前，聚酰亚胺材料以被广泛应用到各领域中，并且取得了良好的应用效果。例如：航天、航空、纳米、液晶、激光等各领域已将其作为主要应用材料，并对其应用与作用给予推广。

根据对聚酰亚胺性能的调查得知，其性能主要表现在以下几点中：第一性能：热稳定性高，聚酰亚胺初分解温度为500摄氏度左右。聚酰亚胺是由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成，最高分解温度可达600摄氏度，它属于热稳定性最高的一种聚合物材料。第二性能：低温耐性好，经过多次低温试验结果表明，聚酰亚胺可在-269摄氏度的液态氦中保持完整性。第三性能：机械性能，聚酰亚胺的抗张强度最高可达400Mpa，弹性膜量达到500Gpa，是一种机械性能较强的工程塑料，其应用性能较好。第四性能：原料回收率高，很多聚酰亚胺对有机溶剂很难溶合，耐水解性能较差，正是利用这样的一种缺点，将聚酰亚胺的特点更推进一步，则是可通过碱性水解对原料进行回收，其二酐和二胺的回收率可达到百分之八十以上。第五性能：热胀系数好，同时抗辐射性能强。第六性能：介电性能，通常情况下，介电常数可控制在3.4左右，在氟或者空气纳米的作用下，聚酰亚胺介电常数可以控制在2.5左右，有效降低介电常数。其介电损耗率低，通常在10-3之间，介电强度可控制在100到300KV/mm。例如：广成热塑性聚酰亚胺为300KV/mm，体积电阻为1017Ω·cm。聚酰亚胺介电性能可维持度高，可大大提高温度与频率范围，使之应用效果明显提高。其他性能：聚酰亚胺除了以上性能，还有自熄性能，属于发烟率低的聚合物，同时放气量较少，即使在极高的真空下，也会保持低放气量。最重要的一点是无毒性能，扩大了应用范围，餐饮、医药等各种服务业均可放心应用，同时聚酰亚胺可不受消毒次数限制。聚酰亚胺还有一些品种的生物相容性较好，可为各种实验室作为首选材料，例如：血液、细胞等实验中均可引用。

（三）传感器数学模型

要想提高湿度传感器的感湿性能，需要对其结构进行合理设计，电容湿度传感器的两极设计，作用面设计、感湿介质设计以及介电常数控制等都需要根据相应的科学依据进行参考与分析。提高工作制作手法，确保两级间距合理化，同时还要将传感器的响应时间、线性度以及滞回等方面进行全面考虑，在设计过程中，要不断经过试验取得有效结果。这里选用类似于W型的结构。W型的电容湿度传感器的优点在于，电容的两极比较接近，提高了电容湿度传感器的灵敏度。其中的介质1和介质2都用聚酰亚胺作为湿敏材料。

（四）系统测量电路

在测量时，主要是将湿度传感器加入到多谐振荡器电路中。

利用多谐振荡器的功能，可以将敏感电容的频变通过电路转变成电路输出频率的频变，经过湿度传感器进行湿度参数值确定，并通过电路将表示湿度的相应数字呈现出来，实现智能化输出与控制。

多谐振荡电路的测量主要通过开关（S1、S2）可受输出电压（VO）进行有效控制为运行原理。运行中输出电压VO若是过高，S1、S2则成断开与闭合状态，此时Cs进入充电模式。若是输出电压较低时，S1、S2成开启状态，Cs则处于放电模式。多谐振荡电路通过Cs的自动充电（放电）功能，使电压值（Vs）的变化从而引起施密特触发器翻转。持续反复以上状态，使输出电压信号V0为一周期性方波。若是Cs充电（放电）的电流处于同等状态，均为Is，此种方波称为对称方波。

Cs上的电荷变化为：Cs·Vsh-Cs·Vs1=Is·

如果定义，对于上述施密特触发器的T/2周期时间为T/2=（VhCs）/Is。

电路输出频率为f0=Is /（2VhCs），传感器电容Cs的值可受外界湿度的变化而影响，所输出的频率是另一组湿度RH的函数，即f0=f0（RH），以上所测量的电路结果是介电常数和敏感电容的比值，将电容的变化转换成频率变化，进而输出可带有表示意义的数字特性。这种只是针对于外界湿度的变化而进行频率定标，而当外界湿度处于恒定状态时，则需要解决的是频率与时间周期的稳定性，包括稳定漂移等问题。以此，针对这些问题应该作进一步研究，并作出一个合理的方案，目前，可依据原湿度传感器的结构以及湿度敏感电容作为参考与斟酌对象，利用湿度不敏感的电容进行测量，使环境漂移度控制在零标准上。在不敏感电容和感湿电容对多谐振荡电路进行交替开关过程中，频率和时间周期的反应便可以作为湿度测量参数值。

四、总结

由于湿度传感器无密封性特点，因此很容易受到外界因素的干扰，所以，要想达到准确测量则需要对含有酸、碱以及有机溶剂的介质控制，同时更需要降低空气中尘埃的影响率，最好选用较小的空间。若是湿度传感器受到时间与距离的制约，则需要考虑信号衰弱问题，若是距离已经超出二百米，则需要采用具备频率输出信号功能的湿度传感器。同时还要不断提高湿度传感器的制造工艺水平，开发更多的电路补偿功能，为提高湿度传感器的研究做好基础准备。

致谢

這里我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成项目编号BC2014127论文的最终写作。至此，我也要感谢我的领导和同事，他们在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！金无足赤，人无完人。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位学者批评和指正！

参考文献：

[1] 汤辰，万衡，王凯凯.高分子电容型湿度传感器研制[J].电子器件，2016（03）.

[2] Shyam Tiwari.无需电池供电的远程湿度传感器[J].電子设计技术，2002（10）.

项目名称：面向智能设备配套的集成MEMS湿度传感器研发（项目编号：BC2014127），感谢江苏省科技型企业技术创新资金的支持。