【原】MEMS 电容式湿度传感器背后的基础知识

来源：EETOP编译自allaboutcircuits

对于许多应用来说，MEMS集成电路技术的进步已经将复杂的湿度测量技术转变为简单、低成本的传感器。这些传感器可能并不适用于所有应用;然而，它们在相对清洁的环境条件下工作得很好。天气监测和空调可能是显而易见的选择，尽管其他应用还包括食品储存、仓库和印刷的湿度控制等。此外，化工和制药等工业过程最好在可控湿度下进行，电子组装需要避免低湿度，以防止静电放电损害。

在本文中，我们将介绍使用电容传感进行湿度测量的一些基础知识，MEMS湿度传感器的典型类型、性能、应用和其他注意事项。

电容式湿度传感器测量基础知识

湿度是由电容利用湿敏介质来感知的。图1说明了电容式湿度传感器的高级结构基础。

图 1. 电容式湿度传感器的基本结构。图片使用由XY提供

在制作电容式湿度传感器时，电极首先沉积在衬底上，通常是硅衬底。接下来，沉积一层薄薄的对湿度敏感的电介质层，通常是聚合物，然后在上面添加第二个透湿电极。最后，传感器上覆盖了一层透水层，以防止污染和凝结。MEMS IC传感器包括将电容测量转换为数字或模拟输出所需的电路。

水分子是高度极化的(介电常数约为80)，比聚合物高得多。当电介质吸收水蒸气时，它的介电常数增加，从而增加电容。在较低的湿度下，电介质会释放一些水分，电容就会下降。其变化与相对湿度呈线性关系，受温度影响较小。在正常应用中应具有良好的长期稳定性。

另一个属性是电容很小。非MEMS传感器（仅电容，无电子元件）通常指定200 pF或更低，从0到100%RH的变化小于20%。几英寸的连接线或电缆会导致重大误差，测量电路的电容也是如此。然而，对于MEMS传感器，测量电路是内置的，校准基于总电容。

微机电系统湿度传感器概述

图 2. 典型的MEMS IC湿度传感器示例（左），该传感器也可带保护盖（右）

这些传感器通常看起来像标准的表面贴装IC，但有一个传感器开口。图2（左）显示了开口，而图2（右）增加了一个可选的保护过滤器盖。通常，这些传感器的尺寸为2或3毫米见方，成本仅为几美元。

再深入一点，图3显示了一个示例功能图，其中包括温度测量。 

图 3.示例 MEMS IC 湿度传感器测量系统框图

如果您需要计算露点，温度可能特别有用（我们将在下一节中介绍这个概念），这需要RH和温度。大多数IC还在内部使用它来补偿湿度传感器的温度系数。需要注意的是，大多数基于电容的传感器测量的是相对湿度，而不是露点。

初始校准数据以数字方式存储，因此如上所述，诸如增加电容之类的误差将被校准掉。除了温度补偿外，该程序还校正传感器的非线性。几乎所有传感器都使用I2C（集成电路间）串行通信，通常与SPI（串行外设接口）总线兼容，有些甚至具有模拟输出，我们将在稍后介绍。

露点与相对湿度

露点测量的是绝对湿度，而不是相对湿度。这意味着相对湿度随温度而变化，但绝对湿度不随温度而变化。从一个转换到另一个需要温度并使用复杂的方程。您可以搜索“计算露点”以查找在线计算器，就像这里的示例一样。图4显示了露点与空气温度的转换图。

图 4.RH 露点转换图

近似值，+3%的相对湿度精度转换为约+0.6 °C（1.1°F）露点精度。

典型的湿度传感器性能、特性和功能

下面，让我们概述一下通用MEMS湿度传感器的一些基本性能指标。

湿度测量精度：对于 20% 到 80% 之间的湿度，这些精度通常在 ±02% 到 ±5% RH 之间运行。传感器的工作范围为0%至100%（非冷凝），但精度较宽松。仔细阅读规格：有些指定了典型精度，而不是最大值。温度精度一般优于±1°C。

温度范围：大多数工作温度范围至少为 -25 °C 至 +85 °C，有些范围更宽。然而，有时RH精度声明并不能覆盖整个温度范围，尤其是极端的低温或最高温度。一些规格表对此不清楚。

校准：这些传感器校准会随着时间的推移而缓慢变化。正常使用时，典型规格为每年 ±0.5% RH。在高湿度下延长时间可以加速这种性能转变。污染物也会导致问题。一些传感器包括一个加热器，可以激活该加热器以进行漂移校正。

响应时间：这些类型的传感器的响应时间通常在很大程度上取决于气流。典型规格是在 5 到 10 秒内实现 63% 的响应，每秒 1 米的气流。带有保护性滤波器盖的传感器将慢得多，并且响应时间可能未指定。这只适用于快速变化的湿度，例如使用喷水或蒸汽来增加湿度的控制系统。

挑战：凝结或潮湿的水是一个问题，但在清洁应用（无污染物或化学品）中，传感器最终应该恢复。几个传感器指定冷凝后恢复 5 秒或 10 秒。在严重的情况下，如果您的传感器有漂移校正加热器，则可以使用漂移校正加热器。

请注意，我没有找到关于液体形式的水的规格说明。传感器应该被适当屏蔽，这会减慢它的响应。当然，电路板无论如何都不应该弄湿。

模拟输出：在研究本文时，我发现只有两家制造商在MEMS IC传感器上提供模拟输出，Sensirion和TE传感器（测量专业）。两者内部均为数字，如图3所示，但增加了数模转换以提供模拟RH和温度输出。有一些较旧的传感器是纯模拟的，但它们不包括存储的校准，线性化或温度补偿。

电容式MEMS湿度传感器应用

电容式MEMS湿度传感器可用于工业和仓储应用，而不仅仅是天气和空调。从个人经验来看，我曾经参与过一个使用MEMS传感器控制大型工业控制柜中的温度和湿度的项目。另一个例子是美国国家气象局（NWS）从复杂的，维护密集型的冷镜露点测量切换到用于自动机场气象站的定制修改电容式传感器。

如前所述，这些类型的传感器最常用的应用是空调，从广义上讲，它可以包括：

• 在印刷（以获得最佳的油墨附着力）和纸张储存（以防止卷曲，起皱和尺寸变化）中的湿度控制。

• 食物储存，特别是水果和蔬菜。湿度控制还可以减少肉类和鱼类中的细菌生长。

• 制药和其他制造业。

• 静电控制，以避免潜在的破坏性或爆炸性放电。在电子装配中，放电会损坏或破坏集成电路。

• 木工和塑料注塑成型可以通过湿度控制来改善。

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