微电子传感器4

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1、电容型湿度传感器
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多孔氧化物电容湿度传感器
自1953年,Ansbacher和Jason首先在«Nature» 杂志上报告了多孔Al2O3的湿度效应以来,因为其良 好的低湿度感湿特性,独特的形成机制、感湿机理而 受到普遍的重视。在Al2O3湿度传感器的发展过程中, 逐渐形成以电容值作为感湿特征量来测量湿度。基 本结构绝大部分为以铝基片和金膜作为两极,以化学 阳极氧化法生成的多孔Al2O3层为介质的电容器。
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Cp
C0
C2 R22
(R1 R2 )2 2C22 R12 R22
湿敏传感器的等效电路模型对于定量分析 传感器的响应特性以及进一步设计改进传 感器的响应特性有很大帮助。
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低湿段线性较好
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高分子电容湿度传感器
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高分子电容式湿度传感器通 常都有较好的线性
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多孔氧化物电容湿度传感器 高分子电容湿度传感器
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱS
d
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多孔氧化物电容湿度传感器原理
金属膜上电极 氧化铝膜
孔洞
金属膜下电极
水分子
C S
d
电容？ 增
吸湿
水的介电常数ε为80
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多孔氧化物电容湿度传感器敏感机理分析方法之一
由于水分子进入孔中更多是吸附在孔壁表面， 从而会影响到孔壁表面的电阻，因此水分子对多孔 氧化铝薄膜电学特性的影响要比想象的情况更复杂， 因此建立更详细的模型对于分析其湿敏机理是有帮 助的。
2(U p
Ud )(Cx Cx C0
C0 )
考虑到在C点和D点的寄生电容（设都是Cp），上式可变为
UO
2(U p Ud )(Cx C0 ) Cx C0 2Cp
设Cp =2pF，Vp =2V, Ud =0.6V,C0 =1.7pF,在一定湿度下Cx 达 到2.1pF,输出直流电压为：
VO
2 (2 0.6) (2.11.7) 2.11.7 2 2
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电容变化量的检出 电容电桥 多谐振荡器
双T二极管交流电桥 双T二极管环行检波电路
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阻 典双抗型T电电二桥路极电如管路图交在所流检示电测，桥电为容方变波化发方生面器取U0得，成工功作的频应率用为，f， C2为固定电容
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3、二极管环行检波电路
不压力作用时，ΔQBA =ΔQAB
A、B两点间没有电位差
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Cc
AΔQBA
Rf
低通滤波电路
D1
-C
Cx C0
D3
D
Cf
Cf Vo
Vp
D2
D4
Cc
B ΔQAB
Rf
QA =Q-ΔQAB +ΔQBA =Q+(ΔQBA-ΔQAB)
QB =Q -ΔQBA +ΔQAB =Q –(ΔQBA -ΔQAB) 当Cx受湿度作用变大时，ΔQBA >ΔQAB A点直流电位将上升一个ΔU ,B点直流电位将下降一个ΔU
Cc A
Rf
D1
+C
Cx C0
+
D3
+
D
Cf
Vp
D2
D4
Cc
B
Rf
Cf Vo
正半周对电容Cx、C0充电
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负半周电容Cx、C0放电
Cc
AΔQBA
D1
-C
Cx C0
Vp
D2
低通滤波电路
Rf
D3
D
Cf
D4
Cf Vo
Cc
B ΔQAB
Rf
ΔQBA 为一个周期内从B点转移到A点的电荷量 ΔQAB 为一个周期内从A点转移到B点的电荷量
湿度的概念
绝对湿度表示单位体积的空气中含水汽的质量，其单位为kg/m3,
其定义为
Ha
mV V
mV为待测4空气中的水汽质量
V为待测空气的总体积
相对湿度为待测空气的水汽分压与相同温度下水的饱和蒸汽压之 比，通常用%RH表示,其定义为
相对湿度 （ PV ） %RH PW
PV为待测空气中的水汽分压，PW为水的饱和蒸汽压
A、B两点间将形成大小为2ΔU的直流电位差
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经过低通滤波器滤去交流成分后后，输出电压 将为直流电位差2ΔU，即
Uo =2ΔU
ΔU =Uo /2
ΔQBA是否始终大于ΔQAB？
QBA
(U
p
1 2UO
Ud
)Cx
QAB
(U p
1 2UO
Ud )C0
Cc
AΔQBA
Rf
低通滤波电路
Vp ~
D1
R0
C2 R2
金属电极 氧化铝多孔湿度传感器
R1
C0
R0
C2
R2
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R1
C0
R0
C2
R2
1 Z
1 R0
jC0
R1
1
1
1 R2
jC2
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1 Z
1 R0
jC0
R1
1
1
1 R2
jC2
1 1 R1 R2 2C22 R12 R22 Z R0 (R1 R2 )2 2C22 R12 R22
0.144V
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可见，这种方法有较大的输出电压 无须放大就能实现较大的输出
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2、电阻型湿度传感器
氧化物半导体湿度传感器 复合高分子型湿度传感器 压阻型湿度传感器
等效电路模型分析法
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Z a jb
1 Z
1 a jb
a jb a2 b2
a2
a b2
j
b a2 b2
令 a2
a b2
1 Rp
b a2 b2
C p
1 Z
1 Rp
jC p
1 1 1
Z Rp
1
jC p
Cp
Rp
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水分子 孔壁表面电阻 R1
氧 化
气 孔
C0
铝
-C
D2
Cx C0
+
D3
+
D
Cf
D4
Cf Vo
Cc Cc可视为交流短路
B ΔQAB
Rf
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A点直流电位的上升将导致C0的充电电压上 升，将最终平衡两个电容差异造成的电荷移
动量的差异，使A、B两点的电位差维持稳定
QAB QBA
状态
(U
p
1 2UO
Ud
)C0
(U
p
1 2UO
Ud
)Cx
UO
j[C0
( R1
R2
C2 R22
)2
2C22
R12
R22
]
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R1
C0
R0
C2
R2
Cp
Rp
1 Z
1 Rp
jC p
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1 Rp
jC p
1 R0
R1 R2 2C22 R12 R22 (R1 R2 )2 2C22 R12 R22
j[C0
( R1
R2
C2 R22
)2 2C22 R12 R22
]
1 1 R1 R2 2C22 R12 R22 Rp R0 (R1 R2 )2 2C22 R12 R22
Cp
C0
(R1
C2 R22
R2 )2 2C22 R12 R22
湿度上升，孔壁表面电阻R1下降，导致CP上升
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Cp
Rp
湿度上升，孔壁表面电阻下降，导致CP上升