湿度传感器的应用研究

湿度传感器的应用研究

作者：王金宝谷文张珽

来源：《科技风》2016年第19期

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表示绝对湿度，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，适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