高分子电容型湿度传感器研制

汤　辰，万　衡，王凯凯

（上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海201418）

高分子电容型湿度传感器研制

汤辰，万衡*，王凯凯

（上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海201418）

随着工业的快速发展，对温度检测和控制日益严格，温度传感器已无法跟上人们的需求，通过优化湿度传感器的表面结构和对感湿材料微孔设计提高了感湿特性，增强感湿材料的感湿特性，并对湿度传感器测量电路进行改进，提高微小电容测量，设计湿度测试系统。通过实验验证了改进后的湿度传感器测量效果更优越。

高分子；湿敏电容；湿度测量；湿度传感器

随着我国的经济快速发展，许多行业诸如电力、电子石化、冶金、医疗、航空航天等对湿度测量的精度要求越来越严格，湿度测量逐渐成为一门重要的研究领域。湿度传感器从简单化向集成化、多参数化、智能化方向迅速发展［1］。高分子湿敏电容作为第三代的湿度传感器迅速发展起来，但目前电容型湿度传感器在实际应用中常存在线性差、湿滞大、精度低、成品率低、性能不稳定等缺点，特别在低湿范围（0.2%RH～10%RH）内电容量几乎上没有变化，易出现失灵现象。鉴于此，本文重点从湿敏电容结构设计和对湿度测量电路改进两个方面提高湿度传感器测量特性。

1湿敏电容结构设计

1.1微孔设计

根据Fick扩散第二法则和Darcy流动法则，水分子在微孔中的扩散过程可用式（1）表示：

式中：Mt为t时的吸收量；Msat为完全浸润时的吸收量；l为厚度；m为微孔的数量；D为扩散系数，其中D与微孔的直径和体积的分布相关。

从上述公式可以看出水分子在感湿材料扩散，和感湿材料微孔的数量和大小有直接关系。同时再根据聚酰亚胺的感湿机理，发现当环境湿度改变以后，有效介电常数的变化由式（2）给出：

式中：K为比例系数，RH为相对湿度，P为感湿膜的气孔率。又因电容的变化与εr有关，也就与相对湿度有关，可以给出当相对湿度改变时，电容发生的相对变化为：

感湿材料的微孔设计对湿度测量结果有直接影响，微孔结构可以增强感湿材料的感湿特性，提高湿度传感器的测量性能［2-3］。

收稿日期：2015-07-15修改日期：2015-08-14

在聚合物材料中形成微孔结构主要分为：形成聚合物的气体溶液，气泡成核，泡孔生长，定型4个过程。其中，气泡成核和泡孔生长为发泡过程，气泡成核也是最关键的一步，对聚合物的宏观物理性能及微观泡孔结构都有重要影响。气泡成核过程是指气泡在一个亚稳态的聚合物熔体中形成的初始状态，此时刻的气泡需要克服自由能才能变大。在过程中为了降低成核自由能，提高成核速率，可以通过提高溶液的过饱和程度（通常由降低压力或升高温度方法来实现），气泡成核以后，又会因溶液中气体分子向气核内部扩散而生长。泡孔生长过程是一个与聚合物熔体内气体、气泡周围的物质等性质都有关系，具体由动量方程、连续性方程、质量平衡方程、动量平衡方程、扩散方程和本构方程等决定。

聚酰亚胺内部的微孔形成主要通过控制泡孔生长和定型来实现，聚酰亚胺在气泡成核后其内部可形成一定的孔道结构，从而控制泡孔的生长，使其泡孔的大小在微孔尺寸范围内，最后通过定型使聚合物内部具有微小孔道结构。

1.2表面结构设计

上极板结构设计成栅条状，如图1所示，“十”字形位于栅条状中间，周围的外框区间为70 μm、十字区间的线条为70 μm、压焊点线宽为80 μm×80 μm，但这些相对于2 μm线条来说相对太大，大约为35倍左右，根据响应时间与线条宽度的平方成正比，为了加快响应时间，我们需要把外框和十字区间的线宽变细，（因为压焊工艺的限制，压焊点的面积是不能改变的）。但如果十字区间的线宽太细的话，比较容易断裂，无法为其余的细线条起支撑的作用，另一方面如果外框的线条宽度太细，也会影响到整个器件的导通性，根据以上问题的分析比较，外框线条的宽度设计成12 μm。

图1　栅条状“十”字形图

在栅条状“十”字形图中，上电极图形内每个栅条基本上是一个长宽高之比为500∶1∶1的长方体，由于宽度过窄，在工艺制作中容易出现问题，若光刻胶保护处理不好，会出现上电极整个严重腐蚀，造成上电极图形全被“揭掉”；如果刻蚀的时间过长会造成线条断裂和上电极图形破坏现象；若刻蚀的时间过短会出现刻蚀不透问题。这些对工艺制备造成很大困难。最后经分析设计了新型的结构。将图1中栅条的长宽高比适当进行缩小，条栅形机构图（如图2）和格栅形结构图（如图3）。为了避免在腐蚀上电极过程的侧向腐蚀造成的栅条变细或者断裂的问题，设计的线条宽度为3 μm，线条间的间距为2 μm。因为在腐蚀过程中侧向腐蚀是无法避免的，所以腐蚀出来的线条间距和宽度基本上还是相等的。

图2　栅型上电极结构设计

图3　格栅形上电极结构

2　湿度测量电路

2.1微小电容测量电路

电容型传感器性能［4］很大程度上还取决于其测量电路的性能，目前对电容微小变化测量技术正处于不断的完善中。根据电容测量与处理方法［5］大致可分为：振荡法、谐振法、直流充放电法、交流法。振荡法测量精度高，可达到0.01 pF，测量频率范围宽，灵敏度高，稳定性好，受杂散电容影响较小［6］，但此方法需要一个低温漂移、高阻抗的运算放大器。谐振法是一种手工测量方法，动态特性差，难于实现动态测量，不适合连续测量可变电容值，且其精度不高。直流充放电法采用的是直流放大，存在较大的漂移，且充放电是由CMOS开关控制，存在电荷注入问题。交流法测量范围0.1 pF～1.0 pF，可以有效地抑制电路的直流漂移，具有很强的抗杂散电容能力，在很多的精密仪器设计中都有广泛的应用［7］。

微小电容测量电路的难点在于杂散电容的影响以及电磁干扰［8］，改进后的电路设计如图4所示，在待测电容两端并联一个电容，组成一组差动电容结构，有效地降低共模信号干扰影响，其次，电路使用迟滞比较器，可有效的防止信号毛刺而引起的电路误操作。

图4　微小电容测量电路图

电容C1和待测电容Cf分别通过二极管D1、D2回路连接到积分器A1，在实际电路中R1=R2=R3，运放A2表面上是一个比例系数为-1的加法器，由于D1和D2不可能同时导通，A2实际上是一个反向电压跟随器。运放A3在这里作为比较器使用。电压输出波形如图5所示。

图5　工作状态波形图

根据波形图改进后的测量电路可以划分成4个工作状态，T1、T2、T3、T4。当电路开始启动时，假设U5的起始电压为+Uz，D1导通，D2关闭，待测电容Cf处于充电状态。使得U1的电压按Rf和Cf积分程线性下降，直到变为-Uom，负电平信号使得比较器A3输出电压由正变为负，输出-Uz，待测电容Cf处于放电状态（T1工作状态）。使得U1的电压按Rf和Cf积分程线性上升，直至U1的电压上升至0 V，D1关闭，D2导通，差比电容C1开始放电，（T2工作状态）。使得U1的电压按Rf和C1积分程线性上升，直至U1的电压上升到+Uom，正电平信号使得比较器A3输出电压由负变为正，输出+Uz，差比电容C1处于充电状态，（T3工作状态）。使得U1的电压按Rf和C1积分呈线性下降，直至U1的电压下降到0 V，D1导通，D2关闭，（T4工作状态）待测电容Cf处于充电状态，如此反复工作。

图6　电压调节输出波形

假设K为A3后端电阻间的分压比，则KU4、U5、U6输出波形如图6所示。在T1时间内，待测电容Cf保持充电，充电电流为 （UZ-Uoff1）/Rf，U3电压由 （KUz-Uoff4）上升至（Uz-Uoff3）。根据欧姆定律：

则：

在T2时间内，差比电容C1放电，释放电流为（UZ+Uoff1）/Rf，U3电压由 （-KUz-Uoff4）下降至（-Uz-Uoff3）。根据欧姆定律：

则：

由式（5）和式（7）可得到电容和时间周期的关系式：

其中：

式（9）中，ε为误差源，第1项为电阻不匹配而产生的误差，第2项为运放失调产生的误差。根据电阻和供电电压选择，将电阻和失调电压产生的误差控制在极小的范围内，可以忽略不计。T1和T2时间周期不能直接从电路输出端获得，需要设计时间提取电路。

2.2时间周期提取电路

根据图6波形所示，T1为U5和U6同为高电平持续的时间，T2为U5和U6同为低电平持续的时间。只要U5和U6同电平信号，则持续时间就会是T1或T2，因此可以使用同或逻辑对U5和U6进行处理。电路设计如图7所示，信号输出如表1。

图7　时间提取电路

表1　信号输出

根据表1可以看出，当U6为低电平时，Hs信号输出的高电平脉冲时间为T2。当U6为高时，Hs信号输出的高电平脉冲时间为T1。标志信号Flag和U6信号同步。获得Hs和Flag信号后，需要对信号进行计时，系统将使用STM32系列的STM32F103VC进行处理。示波器检测波形如图8所示。

图8　波形输出

2.3变送器输出电路

利用MAX538进行D/A转换输出。MAX538由时钟、数据和片选3线制组成串行数据接口。通过对写入的两个byte进行编程转换，先将4个无效位加高位字节写入寄存器MSB，接着再将低位字节写入寄存器LSB。当片选信号CS为低时，通过时钟上升沿将数据写入16位移位寄存器。当片选信号CS变高时，移位寄存器的低12位被传送到数模转换寄存器中，输出转换电压。电路如图9所示。

图9　D/A转换电路

将MAX538输出的电压经V/I变换器AD694转换而成。AD694是一种V/I的转换器，可以将0～2 V的电压信号转换成4 mA～20 mA的电流信号如图10所示。

图10　V/I转换电路

3　实验结果分析

将设计好的湿度测量系统开启，测量一天中空气湿度值。上位机每隔1 h发送测量指令，测量电路将测量完成的数据发送到上位机，记录数据，计算偏差，动态波形显示如图11所示。同时选择美国Omega高精度RHCL-2温湿度校准器（相对湿度精度：±0.5%RH）与系统测量数据进行校准。从6：00-18：00的测量结果和理论值如表2所示。

图11　上位机波形输出

表2　测量结果

从表2可以看出湿度测量系统的分辨率为0.1，测量误差在±0.3%H内，比传统的测量系统更具有使用价值。

4　结束语

本文分别从湿度传感器结构设计和电路设计两个方面进行优化设计。并通过实验验证了改进后的湿度传感器性能更佳。

［1］ 陈翠萍，蒋波，谢光忠，等.高分子湿度传感器的研制［J］.仪表技术与传感器，2005（10）：5-8.

［2］ 张彤，孙良彦，徐宝琨，等.湿敏共聚物的制备及其敏感元件的电特性研究［J］.仪表技术与传感器，2000（8）：13-15.

［3］ 谢琼，杨文，常爱民.具有SiO2绝缘层的硅基聚酰亚胺电容式湿度传感器的特性研究［J］.电子元件与材料，2003（6）：9-13.

［4］ 郑丽，金建东，卢崇考.电容式高分子湿敏材料功能设计［J］.微纳电子技术，2007，7（8）：70-71.

［5］ 蒋志勇，陈胜权，祝军生.高精度微波湿度测量仪［J］.仪表技术与传感器，2007（9）：22-25.

［6］ 龚中良，李曜.基于光电传感器的脉搏信号采集电路优化设计［J］.电子器件，2014，37（4）：13-15.

［7］ 王阳，徐加欢，陈军宁.集成微电容式传感器检测电路设计与研究［J］.电子器件，2013，36（3）：30-31.

［8］ 张华，郑宾，武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统［J］.电子器件，2013，36（2）：14-18.

汤辰（1988-），男，江苏扬州人，硕士研究生，主要研究方向为分析仪器设计；

万衡（1963-），男，上海人，教授，主要研究方向为分析仪器设计，嵌入式系统等，13681872133@163.com。

Research on High Polymer Capacitive Humidity Sensor

TANG Chen，WAN Heng*，WANG Kaikai
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

With the rapid development of industry，the temperature sensing and controling are increasingly stringent.Temperature sensors are hard to keep up with people's needs.This article through the micropore surface structure optimization design of the humidity sensor and the humidity sensitive material improves the humidity sensing properties.The measurement of humidity sensor circuit optimization is improved，and finally verified by experiments measuring the effect of humidity sensor improved superior.

high polymer；humidity sensitive capacitor；moisture measurement；humidity sensor

TP253

A

1005-9490（2016）03-0571-05

EEACC：7230；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.014