高分子电容型湿度传感器研制
电容式湿度传感器
原理： 电容式湿度传感器， 主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。 它由玻璃底衬、 下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料，上电极构成的 两个电容成串联连接。 湿敏材料是一种高分子聚合物， 它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变 化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增 大时，湿敏电容量随之增大，反之减小(电容量通常在 48～56pf 间)。传感器的 转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化， 对应于相对湿度 0～100%RH 的变 化，传感器的输出呈 0～1v 的线性变化。 使用方法： HS1101 测量湿度采用将 HS1101 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化砖换 成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。
Hale Waihona Puke 时间记为 T1） ， 这时 555 的引脚 3 由高电平变为低电平， 然后通过 R58 开始放电， 由于 R57 被 7 引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于 0.33 VCC，
时间记为 T2） ，这时 555 芯片的引脚 3 变为高电平。通过不同的两个电阻 R19， R20 进行传感器的不停充放电，产生方波输出。 性能指标： 由于采用了性能优良的 HS1101 电容式湿度传感器及其震荡测量电路，获得 了频率信号与湿度值得近似线性关系。 通过软件的分段线性与查表计算等数据处 理，可以校准补偿频率、漂移以及元器件的误差。因而所构成的湿度测量仪具有 结构简单、成本低、测量精度高、响应时间快、性能稳定的优点。其主要技术指 标如下: （1） 测量范围：0~100%RH （2） 测量精度：±2.5% （3） 报警设置：0~100%RH （4） 输出接点容量：220VAC,1A
高分子电容型湿度传感器研制
高分子电容型湿度传感器研制汤辰;万衡;王凯凯【摘要】With the rapid development of industry,the temperature sensing and controling are increasingly strin⁃gent. Temperature sensors are hard to keep up with people’s needs. This article through the micropore surface struc⁃ture 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 experi⁃ments measuring the effect of humidity sensor improved superior.%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。
【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2016(039)003【总页数】5页(P571-575)【关键词】高分子;湿敏电容;湿度测量;湿度传感器【作者】汤辰;万衡;王凯凯【作者单位】上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海201418;上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海201418;上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海201418【正文语种】中文【中图分类】TP253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。
电容式湿度传感器的设计与研究
电容式湿度传感器的设计与研究概述湿度传感器是一种常见的传感器技术，用于测量空气中的水分含量。
电容式湿度传感器基于材料的湿度感应器，通过测量电容来确定环境中的湿度。
本文将重点探讨电容式湿度传感器的设计与研究。
一、传感器原理电容式湿度传感器的运作原理基于材料的电容量随湿度的变化而变化。
这种传感器包括一个湿度感应器和电路组件。
湿度感应器通常由一层湿度敏感的薄膜和两个电极组成。
当空气中的湿度改变时，湿度感应器中的湿度敏感薄膜吸收或释放水分，导致电容量的变化。
二、传感器设计1. 湿度感应器材料选择湿度感应器的材料选择对传感器性能至关重要。
常见的材料包括聚合物薄膜和陶瓷材料。
聚合物薄膜具有较高的吸湿性和较快的响应速度，但对温度和湿度的变化较敏感。
陶瓷材料则具有较好的稳定性和较低的温度依赖性。
2. 电极设计电极是传感器中连接湿度感应器和电路的关键部分。
电极的设计需要考虑电容变化的灵敏度和可靠性。
更多层的电极可以提高传感器的灵敏度，但也容易增加杂散电容。
因此，需要权衡灵敏度和杂散电容之间的关系来设计合适的电极。
3. 电路设计电路设计是电容式湿度传感器的关键环节。
电路的功能是测量湿度感应器中的电容变化并将其转化为可读的数字或模拟信号。
根据传感器的接口需求，可以选择使用模拟电路或数字电路。
三、传感器性能评估1. 精度传感器的精度是指传感器测量结果与实际值之间的差距。
精确的传感器可以提供准确的湿度测量。
而影响精度的因素包括温度、湿度、噪声等。
2. 响应时间响应时间是指传感器从湿度变化到达稳定状态所需的时间。
快速的响应时间对于快速变化的湿度环境是至关重要的。
3. 重复性和稳定性传感器的重复性和稳定性是指传感器在相同湿度条件下多次测量得到的结果之间的一致性。
传感器应具有良好的重复性和稳定性，以提高测量结果的可靠性。
四、应用领域电容式湿度传感器广泛应用于各个领域，如农业、气象、工业等。
在农业中，传感器可用于农作物生长环境的监测。
高温高分子电容式湿敏元件的研究
高温高分子电容式湿敏元件的研究摘要：湿度是衡量空间气态水份多少的物理量。
湿度大小直接影响到人类健康与舒适程度、工业产品质量控制、科研条件设置等,因此湿度测量与控制十分重要。
电容式高分子湿敏元件作为应用广泛的湿敏元件,以其测湿范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好、线性输出、使用方便等特点 ,得到了广泛的应用。
电容式高分子湿敏元件的性能主要取决于感湿材料的化学结构。
因此 ,借助于对敏感材料感湿机理的研究来探讨高分子感湿功能设计十分必要。
关键词：电容式高分子湿敏元件；湿滞；温度系数一、感湿材料的选择1、湿敏材料感湿机理。
电容式高分子湿敏元件的性能主要取决于感湿材料的化学结构。
因此, 借助于对敏感材料感湿机理的研究来探讨高分子感湿功能设计十分必要。
高分子电容式湿敏材料的感湿机理是基于吸附环境中气态水分子时,其介电常数也随之变化 ,电容量与环境中水蒸气相对压力 (P P0)即相对湿度关系可由下式表示 :2、电容型湿敏材料设计。
一定温度条件下 ,高分子吸附气态水分子时, 吸附量与水蒸气平衡相对压力 (P P0)间建立不同关系式 ,一般称为吸附等温式,由此绘制的曲线称为吸附等温线。
对于电容型高分子湿敏材料来说, 希望吸附量与平衡相对压力 (P P0)之间的关系是线形关系。
在多种吸附等温线中 ,只有亨利(Henry)型吸附等温线水分子吸附量与平衡相对压力(P P0)呈线形关系。
只有吸附物质-高分子间的相互作用小的场合下才遵从亨利型吸附等温线。
电容型高分子湿敏材料的基本骨架应是疏水性高分子,同时, 还要有吸水极性基团以便能吸附水分子。
但有较大偶极矩的极性基时 ,与吸附的水分子会产生较强的氢键结合 ,称之为化学吸附。
水分子一旦形成化学吸附就很难脱附, 这也是湿敏元件产生湿滞的主要原因。
在高分子结构中, 含有较弱极性基时, 与吸附水分子的作用力很小, 即称之为物理吸附。
只有这种情况, 高分子湿敏元件才能达到吸湿、脱湿平衡速度快、湿滞小、灵敏度变化呈线性关系。
传感器技术及应用：湿度传感器
湿度传感器
图4-9 婴儿尿湿报警器电路原理图
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湿度传感器
内容二 尿湿报警器的制作与调试 1. 制作准备 制作婴儿尿湿报警器所需元器件清单见表4-1。
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湿度传感器 32
湿度传感器
2. 制作、调试过程 (1) 制作湿度传感器。 (2) 设计电路布局图。 (3) 焊接元器件。 (4) 检查。焊接完成后先自查，后请教师检查。 (5) 通电并调试电路。
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湿度传感器
4. 红外吸收法 水分对波长为1.94 μm的红外射线吸收较强，并且可用几 乎不被水分吸收的1.81 μm波长作为参比。由上述两种波长的 滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的 能量吸收的比值便可判断含水量。
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湿度传感器
5. 微波吸收法 水分对波长为1.36 cm附近的微波有显著的吸收现象，它 比植物纤维对此波段的吸收要大几十倍。利用这一原理可构 成测木材、烟草、粮食、纸张等物质中含水量的仪表。采用 微波法要注意的是被测物料的密度对检测结果的影响。使用
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湿度传感器
图4-12 敦煌莫高窟壁画
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湿度传感器
本任务所使用的是AM1001湿度传感器模块，可以从网 上购买。湿度传感器模块是相对湿度传感器与电路一体化的 产品，如图4-13所示。
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湿度传感器
图4-13 AM1001湿度传感器模块
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湿度传感器 41
湿度传பைடு நூலகம்器
本任务要制作的电路实物图如图4-14所示，从电池正极 出来首先接三端稳压块7805，从7805出来后接AM1001的黄 色引线，黄色引线后接LED，其中AM1001的红、黑线分别 接电源正负极。
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内容二
电容式湿度传感器的设计与制造
电容式湿度传感器的设计与制造电容式湿度传感器是一种常用的湿度测量方法，其原理是利用湿度对介质介电常数的影响来测量湿度。
电容式湿度传感器具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好等特点，广泛应用于气象、自动化控制、生产过程中的湿度测量等领域。
本文将着重介绍电容式湿度传感器的设计与制造过程。
一、湿度测量原理湿度是指空气中的水汽含量，通常以相对湿度（RH）表示，RH=100%表示空气中水汽达到饱和。
具体的湿度测量方法有很多，其中电容式湿度传感器实现了较为简单的测量原理，它利用了介质介电常数与湿度之间的关系。
介电常数是介质对电场势能的响应能力的度量，通常也称为电容率。
由于湿度的变化会影响介质的介电常数，因此可以通过测量介质的电容值来间接测量湿度。
当湿度增加时，电容值会减小，反之电容值会增大，因此电容式湿度传感器的测量原理可以简单地表示为：C=C0×RH其中，C0为在饱和水汽条件下的电容值，RH为相对湿度。
二、电容式湿度传感器的设计1. 选择介质电容式湿度传感器的关键在于选择合适的介质。
一般情况下，称之为“薄膜”或“薄片”的介质为电容式湿度传感器的重要组成部分。
薄膜的介电常数与空气的介电常数有很大的差异，而与水的介电常数相近。
这样一来，当环境湿度发生变化时，由于在两层电极的缝隙内湿度变化引起两个电极的距离变化，薄膜的介电常数发生变化，电容变化即可用来测量相对湿度。
2. 选择电极电容式湿度传感器的电容是由电容结构和电极组成。
电极材料需要符合以下要求：第一，具有良好的导电性和化学稳定性；第二，表面的加工工艺要良好，以保证电容结构的稳定性；第三，应该具有低的电容漏损率，以避免电容值受到电极的影响。
3. 选择补偿电路电容式湿度传感器的输出必须进行修正，由于传感器随时间而产生的漂移和温度变化。
为了克服这些影响，需要在传感器的输出与温度测量值之间建立某种关系，从而获得一个补偿输出并降低传感器的误差。
三、电容式湿度传感器的制造1. 制造传感器的主体传感器主体是由两个电极薄膜组成的，需要通过印刷、沉积等方法制造。
高分子电容式湿度传感器信号处理方法
致电路的的线性变差，而较高的工作频率会导致湿敏电容的灵敏度 降低，因此传感器信号源的振荡频率选定为 50kHz。
3 试验结果
湿度标准值 （%RH）
传感器 1
时漂（%RH/24h） 传感器 2
传感器 3
按本文所述信号处理方法制作了三只湿度传感器，传感器输出
50
0.27
0.18
0.1
信号为 0～5V 电压信号。其敏感元件采用了 MSR-3B 型高分子湿敏
价值工程
高分子电容式湿度传感器信号处理方法
The Signal Processing of Macromolecule Capacitance Humidity Sensor
张巍 Zhang Wei；祈欣 Qi Xin；王朝晖 Wang Zhaohui
（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001） （China Electronic Technology Group No.49 Research Institute，Harbin 150001，China）
下传感器温度系数小于±0.1%RH/℃，测试数据见表 2。
高分子湿敏电容的工作原理是利用对湿度敏感的高分子聚合
表 1 湿度偏差测试数据
物含有吸水基团，吸附环境中的水分子，使聚合物的介电常数发生 变化。高分子聚合物在完全干燥状态下介电常数为 2～3，水分子的 介电常数为 78，聚合物吸附水分子，提高了聚合物的介电常数，随
36.
试验中对传感器温度系数进行了测量，在 10～40℃的工作温度
[4] 郝 光 宗 ，张 汉 杰 . 电 容 式 湿 敏 元 件 的 转 换 电 路 [J]. 传 感 器 世 界 ，1997
（4）：25-27.
4 结论 通过上述分析表明，采用此种信号处理方法的高分子电容式湿 度传感器可对相对湿度进行较精确的测量，具有温度系数小、性能 稳定、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、农业、气象、军事等湿 度测量领域。
高分子湿敏电容传感器hs1101的原理及应用
高分子湿敏电容传感器hs1101的原理及应用高分子湿敏电容传感器HS1101是一种能够测量环境湿度的电子器件。
它使用高分子材料制成，具有特殊的敏感性，可以测量空气中的
湿度并将其转化为电信号输出。
在许多应用场合中，HS1101传感器是
非常有用的，例如环境监测、工业控制和人体健康监测等。
HS1101传感器的原理基于吸附高分子材料所固有的特性。
当传感
器的感测元件接收到环境中的水分分子后，高分子材料开始吸收这些
水分分子并膨胀，导致感测元件变化，从而导致电容值发生变化，该
变化可被传感器测量并输出。
该传感器具有许多应用领域。
在环境监测领域中，HS1101传感器
可用于测量空气中的湿度，以确定空气中的水蒸气含量。
在医疗和健
康监测领域中，该传感器可用于监测患者呼吸时口腔和喉咙的湿度。
在工业控制领域中，则常用于监测工业生产过程中的相对湿度，以确
保产品质量。
使用该传感器时需要注意一些细节。
首先，传感器的敏感元件必
须被保持在合适的温度和湿度之下，以确保传感器的准确性和可靠性。
其次，传感器对电路干扰和噪声敏感，因此需要保证传感器电路的输
入端稳定。
最后，传感器需要定期校准，以保证传感器输出的准确性。
总之，高分子湿敏电容传感器HS1101是一款非常可靠和实用的传
感器。
它可以用于许多不同领域的应用，例如环境监测、工业控制和
医疗健康监测。
然而，在使用传感器时应注意细节和保持传感器的准确性，以确保其准确性和可靠性。
高分子薄膜电容式湿敏元件
高分子薄膜电容式湿敏元件发布时间：2021-07-21T08:30:05.233Z 来源：《防护工程》2021年8期作者：司良有[导读] 湿度表示空气中水汽的多少，是气象观测的基本参数之一，湿度测量一直是气象常规观测的难点。
高分子电容式湿度传感器(湿敏电容)是目前应用最广泛的测湿元件。
湿敏材料作为感湿层是构成湿度传感器的核心。
司良有中国电子科技集团公司第四十九研究所黑龙江省哈尔滨市 1500286摘要：湿度表示空气中水汽的多少，是气象观测的基本参数之一，湿度测量一直是气象常规观测的难点。
高分子电容式湿度传感器(湿敏电容)是目前应用最广泛的测湿元件。
湿敏材料作为感湿层是构成湿度传感器的核心。
目前研究热点主要有聚酰亚胺、聚乙炔苯、聚砜、等离子聚合聚乙烯、线性交联等离子聚合聚甲基丙烯酸甲酯等高分子湿敏材料，这些湿敏材料来源丰富，同时具有易于制备、加工，并且可以通过分子结构的改性，获得不同的物理化学性能。
通过相同的 C/F 变换电路后, 再由软件进行内部差频、曲线拟合等多种手段处理,得到温度补偿后的测量数据, 以达到采用简单设备、低成本的传感器而快速测量低露点的目的。
本文以实验数据、过程为基础 ,对高分子薄膜湿度传感器应用特点、温度特性、补偿原理及露点测试仪的构成进行了分析。
关键词：高分子；传感器；温度补偿一、高分子电容式湿度传感器高分子电容型湿度传感器是80年代后期发展起来被称为第三代的湿度传感器。
通常由三部分组成：上电极、下电极以及聚合物湿敏材料。
其下电极材料通常非常稳定，不会因为湿度、时间以及化学气体的影响而引起电阻变化，也不会吸附水分子；中层为感湿材料层，一般要求具有较好的厚度均一性；而上电极材料则要求具有较好的透水性，同时对湿度变化具有较快的响应速度。
这类高分子传感器的湿敏材料随周围环境相对湿度(RH)的大小成比例地吸附和释放水分子，由于这类高分子材料大多是具有较小介电常数(εr =2 ～ 7)的电介质，而存在偶极矩的水分子的介电常数εr 可达 80 以上，这样吸附水分子的湿敏材料介电常数得到极大提高。
高分子湿度传感器的研制
基金项目:部级预研项目基金资助(323030411)收稿日期:2004-10-18 收修改稿日期:2005-06-24高分子湿度传感器的研制陈翠萍,蒋 波,谢光忠,蒋亚东(电子科技大学光电子信息学院新型传感器教育部重点实验室,四川 成都 610054) 摘要:通过对湿敏材料—聚酰亚胺(PI )的湿敏机理的分析,设计了高分子电容式湿度传感器的芯片结构,并对其制作工艺进行了详细讨论。
在此基础上,对传感器变送电路进行了研究,设计了以双时基电路为主的信号处理电路,并最终制备出了输出电压随环境相对湿度线性变化的湿度传感器。
对湿度传感器的湿敏特性的测试表明:在1182%～91104%RH 范围内,带湿度处理电路的湿度传感器输出的信号与环境的相对湿度成线性变化,电路能对湿度电容输出电容量进行放大。
关键词:聚酰亚胺;传感器;湿度中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2005)10-0004-03R esearch on H igh Polymer C apacitive H umidity Sensor CHEN Cui 2ping ,JIANG ,Xie G uang 2zhong ,JIANG Ya 2dong(Ministry of Education K ey Laboratory of N ovel T ransducers ,School of Optical and E lectrical In formation ,University of E lectronic Science &T echnology of China ,Chengdu ,610054,China )Abstract :Through the analysis of the polyimide humidity sensitive mechanism ,the structure of humidity sens or was designed and the humidity sens or manu facture process was discussed in detailed.Through the research of the sens or transducer circuit ,the signal process circuit was designed mainly through dual timer IC.Finally ,the humidity sens or ,which the change of output v oltage followed was fabricated.The test for the sensitivity of humidity sens or shows that the humidity sensitive curve is very linear corresponding to en 2vironment humidity from 1.82%RH to 91.04%RH ,and the signal process circuit could amplify the output capacity which represents change of environment humidity.K ey Words :P olyimide ;Sens or ;Humidity1 引言湿度的检测和控制不容忽视[1-4],高分子电容型薄膜湿度传感器是最优秀的一类湿度传感器,它响应范围宽、响应速度快、湿滞小、精度高、温度系数小、长期稳定性好[5],而聚酰亚胺是高分子电容型湿度传感器中研究的最广泛的材料之一[6]。
高分子湿度传感器研究进展
一
１ ２一
中国新技术新产品
：
Ｃ ｉａ Ｎｅ ｅ ｈ ｏｏ ｉｓａ ｄＰ ｏ ｕ ｔ ｈｎ ｗ Ｔ ｃ ｎ ｌｇｅ ｎ ｒｄ ｃｓ
丝
高 新 技 术
高 分子 湿度传感器研 究进展
杨 子 江 ，黄建 国 。
（ １ 龙 江 农 业 工程 职 业 学 院 ２驻 哈 空 军 ９ ０ ５部 队 ， 龙 江 哈 尔滨 １０ ８ ） 黑 ３１ 黑 ５ ００
人们的生活和工农业生产， 以及动植物 的生 存和生长， 都与周 围环境 的湿度有着密 切的关 系 。随着科技 的进步， 在国民经济 的多个部 门对 于湿度的测量 和控制 日 益显得重要和迫切 ， 特别 是随着生活水平 的提高， 空气质量越来越受到重 视萁 中的相对湿度作为衡量居住适宜程度 的关 键指标也得到了重视， 大量的湿度控制 电器进入 人们 的生活， 湿度传感器 的应用 领域 不断扩大 湿度是指气体 中的水分含量 。通 常使用 的湿度 表示 方法有 混合 比 、 露点 和相 对湿度 日在恶劣 ， 条件 下工作 ， 例如气 流速度 、 度 、 温 湿度 变化非 常剧烈或测量污染严重 的工业气体时 ，将使精 度大大降低口 在人类社会逐步由工业化 时代 向 。 信包 化时代迈进 的时候 ， 、 能源 信息和材料 己成 为新技术革命 的三大支柱 。传感器是能感受规 定 的被测量信号 （ 物理或化学量 ） 并按照一定规 律将其转换成可测信号 （ 频率信号等 ） 的器件或 装置 。 其中敏感元件 是传感器的核心 ， 选择并优 化敏感材料 以及新功能材料 的开发和应用一直 是传感器研究的热点。 ２湿度传感器概况 湿度 传感器是一 类重要 的化学传感 器 ， 已 在仓贮 、 工业生产 、 控制 、 过程 环境监测 、 家用 电 器、 气象等方面有着广泛的应用 ， 精密 电子元 如： 件制造 、 航天导弹 、 火箭的储存。周围环境 的湿 度与人们 的生活 和工农业 生产 ，以及动植物 的 生长与生存都密切相关 。为了创造舒适 的生活 环境 和理想 的生产条件 ，必须对环境湿度进行 检测 、 控制或调整。然而 ， 尚且不 能令人满意 的 是， 对于有关湿度计量技术 的研究 ， 还远不如对 温度 的研究 和计量那样精确 和完善 。一个理想 的湿度传感器应具备 的性能和参数如下： ｌ 用寿命长 ， 帔 长期稳定性好 。 ２ １ 灵敏度高 ， 感湿特 Ｉ曲线线性度好 。 生 ３ ） 宽， 量程 温度系数小。 ４ １ 时间短 。 响应 ５ 悔黼 小 ６ ） 的一 致性 和互换性 好 ， 器件 易于批 量生 产， 易于实现与其它传感器集成化 、 智能化 。 ３湿度传感器分类 目 ， 前 湿敏器件 品种繁多 ， 但就其所使用 的 感湿材料而言 ，大致可以分为三大类 ：电解质 型， 半导体陶瓷 型和有机高分子聚合物 型。 中 其 有机高分子聚合物型按其结构特点又可分为 电 容型、 电阻 型 、 声表 面 波型（ Ｗ ， Ｓ ）石英 振 子型 Ａ 等 。电解质类湿度传感器不能长期应用于高湿 环境 中，因为感湿材料中的电解质盐可吸水而 被稀释甚至会 流出， 从而破坏其感湿 眭能 。 电阻 型高 分子湿度传感器 是 目前发 展较为迅 速 ， 应 用较广 的一类 。但 由于湿度传感器工作时必须 直接暴露于待测 的环境 中，工作条件恶劣而复 杂 ，使湿敏器件长期遭 受有害气体的侵蚀和温 度 的影响 ，从而普遍存在长期稳定性ｉ ａｔ ｓ ｏｌ
高分子湿敏电容温度特性研究
摘要：针对气象观测用湿度传感器使用的高分子湿敏电容，通过在-40°C〜+40°C条件下测最其容值随湿度变化，研宄湿敏电容的温度特性。
测试结果表明，湿敏电容的容值随温度变化呈现负温度系数。
经分析，感湿膜结构和介电常数随温度变化是湿敏电容呈现不同温度特性的主要因素，分析结果对湿敏电容结构改进和选择补偿算法具有参考价值。
关键词：湿敏电容；介电常数；温度系数中图分类号：TP212.2 文献标识码： A 文章编号：1006-883X(2020)11-0011-06收稿日期：2020-09-11高分子湿敏电容温度特性研究张巍刘智敏许志佳徐晓龙郑丽中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨150001一、引言对湿度作为一个重要的环境参数对工业控制、10农业生产及人们的日常生活影响巨大。
尤其在 气象观测领域，是地面和高空气象观测的重要要素，也是大气环境观测中最难准确测量的参数。
由于气象 观测环境恶劣，如高空探测环境温度最低达到-90°C,而地面观测温度最高达到+50°C,实际使用中的湿度 传感器测量准确度不能满足气象观测要求，尤其在o r 以下温区，测量误差甚至达到±20%R H以上。
产生 测量误差的主要原因是传感器的湿敏电容在不同的温 度下表现出不同的输出特性，因此需要对其进行温度 补偿。
一直以来，受低温湿度发生设备和测量仪器的 制约，国内对湿敏电容的研究仅限于〇°C以上温度区间，对于o°c以下湿敏电容特性随温度变化的研究则少之 又少，对湿敏电容温度特性的补偿没有相应数据支持，只能采用曲线外延的方式，温度补偿效果不理想。
本文选取了比较典型的国产的MSR-4型高分子湿 敏电容及国外某公司的I80R高分子湿敏电容进行对 比分析。
这两种湿敏电容广泛应用于航空、航天、船 舶、气象等领域，长期稳定性试验表明两种湿敏电容 均具有较好的长期稳定性，其中MSR-4型湿敏电容年 漂移量小于±1.5%RH,180R湿敏电容年漂移量小于±1%RH。
一种电容式高灵敏湿度传感器[发明专利]
![一种电容式高灵敏湿度传感器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0344259527284b73f3425050.png)
专利名称：一种电容式高灵敏湿度传感器专利类型：发明专利
发明人：不公告发明人
申请号：CN202010594495.0
申请日：20200628
公开号：CN111707717A
公开日：
20200925
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种电容式高灵敏湿度传感器，第一金属平板、金属连接部、第二金属平板构成U形结构，第三金属平板置于U形结构内，湿敏材料层置于第一金属平板与第三金属平板间。
第一金属平板和第三金属平板构成第一电容器；第二金属平板和第三金属平板构成第二电容器。
金属连接部与第三金属平板间的总电容等于第一电容器的电容与第二电容器的电容之和。
工作时，湿敏材料层吸湿膨胀，并且湿敏材料层的介电常数增加，导致金属连接部与第三金属平板间的总电容改变，通过探测该总电容的变化实现湿度探测。
本发明中具有湿度探测灵敏度高的优点，在湿度探测领域具有重要的应用。
申请人：金华伏安光电科技有限公司
地址：322200 浙江省金华市浦江县仙华街道东山路488号
国籍：CN
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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。
gent. Temperature sensors are hard to keep up with people’s needs. This article through the micropore surface struc⁃
ture optimization design of the humidity sensor and the humidity sensitive material improves the humidity sensing
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）
摘 要：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
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：
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收稿日期：2015-07-15
修改日期：2015-08-14
∑ Mt
/M sat
=
1
-
8 π2
∞
1
m = 0 (2m +
1)2
exp
éë
π2
D(2m
以后，有效介电常数的变化由式（2）给出：
Δεr ≈ KPRH εH2o
（2）
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：
ΔCp
=ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ε0Δεr
A d
=
KPRH
ε H2O ε0
A d
（3）
感湿材料的微孔设计对湿度测量结果有直接
+
1)2
tù lû
（1）
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
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。
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。
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。
关键词：高分子；湿敏电容；湿度测量；湿度传感器
中图分类号：TP253
文献标识码：A
文章编号：1005-9490（2016）03-0571-05
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。
第3期
汤 辰，万 衡等：高分子电容型湿度传感器研制
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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］。
Key words：high polymer；humidity sensitive capacitor；moisture measurement；humidity sensor
EEACC：7230；7320R
doi：10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.014
高分子电容型湿度传感器研制
第 39 卷 第 3 期 2016 年 6 月
电子器件
Chinese Journal of Electron Devices
Vol������ 39 No. 3 June 2016
Research on High Polymer Capacitive Humidity Sensor
TANG Chen，WAN Heng*，WANG Kaikai
图 6 电压调节输出波形
在 T1 时间内，待测电容 Cf 保持充电，充电电流
为 (UZ - U ) off1 /Rf ，U3 电 压 由 (KUz - U ) off4 上 升 至
(Uz - U ) off3 。根据欧姆定律：
-
1 Cf
UZ
-U Rf
off1
*T1*æèç
-
R3 R1
ö
÷
ø
=
(UZ
-
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）
Abstract：With the rapid development of industry，the temperature sensing and controling are increasingly strin⁃
(-Uz - U ) off3 。根据欧姆定律：
1 C1
UZ
+U Rf
off1·T2·æèç
-
R3 R2
ö
÷
ø
=
(-U
Z
-
U
) off3
-
(-KU
z
-
Uoff4)（6）
则：
T2
=
C1R2 Rf R3
(1
-
K)Uz + Uoff3 UZ + Uoff1
Uoff4
（7）
由 式（5）和 式（7）可 得 到 电 容 和 时 间 周 期 的 关
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
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
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
U ) off3
- (KU z
-
Uoff4)（4）
则：
T1
=
Cf
R1 R f R3
(1
-
K)Uz - Uoff3 + UZ - Uoff1
Uoff4
（5）
在 T2 时间内，差比电容 C 1 放电，释放电流为
(UZ + Uoff1)/Rf ，U3 电 压 由 (-KUz - U ) off4 下 降 至
系式：
T1 T1 + T2
=
Cf Cf +
C1 (1
+
ε)
（8）
其中：
ε=
C1 Cf + C1