MEMS 电容式湿度传感器背后的基础知识

MEMS IC 技术的进步已将复杂的湿度测量技术转变为简单、低成本的传感器。这些传感器可能无法满足所有应用；然而，它们在相对干净的扩展环境条件下工作良好。天气监测和空调可能是显而易见的选择，尽管其他选择包括用于食品储存、仓储和印刷的湿度控制。此外，化学和制药等工业过程在受控湿度下进行，电子组装需要避免低湿度以防止静电放电损坏。

在本文中，我们将介绍使用电容感应进行湿度测量的一些基础知识、典型类型的 MEMS 湿度传感器、它们的性能、应用和其他注意事项。

电容式湿度传感器测量基础

湿度是通过使用对湿度敏感的电介质的电容来感测的。图 1 说明了电容式湿度传感器的构造基础。

图 1.电容式湿度传感器的基本结构。图片由 XY 提供

在创建电容式湿度传感器时，首先将电极沉积在基板上，通常是硅。接下来，沉积一层薄的湿度敏感介电层（通常是聚合物），并在顶部添加第二个透湿电极。，传感器覆盖有一层可渗透层，以保护其免受污染和冷凝。MEMS IC 传感器包括将电容测量值转换为数字或模拟输出所需的电路，并使用 IC 方法制造。

水分子高度极化（介电常数约为 80），比聚合物高得多。当电介质吸收水蒸气时，其介电常数增加，从而增加电容。在较低的湿度下，电介质会放出一些水，电容会回落。这种变化几乎与 RH（相对湿度）呈线性关系，并且仅受温度的轻微影响。在正常应用中长期稳定性应该很好。 

另一个属性是电容小。非 MEMS 传感器（仅电容，无电子设备）通常指定 200 pF 或更低，并且从 0 到 100% RH 的变化小于 20%。几英寸长的连接线或电缆会导致明显的误差，测量电路的电容也会产生这种情况。但是，对于 MEMS 传感器，测量电路是内置的，并且校准基于总电容。

MEMS 湿度传感器概述

图 2 显示了两个示例 MEMS 传感器。

图 2.典型的 MEMS IC 湿度传感器示例（左），也可提供保护盖（右）。图片 [已修改] 使用由TI提供

这些传感器通常看起来像标准的表面贴装 IC，但有一个用于传感器的开口。图 2（左）显示了开口，而图 2（右）添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 平方毫米，成本仅为几美元。

深入研究，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。图片由TI 和贸泽提供

如果您需要计算露点（我们将在下一节中介绍这个概念），温度会特别有用，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。请务必注意，大多数基于电容的传感器测量的是 RH，而不是露点。

初始校准数据以数字方式存储，因此，如上所述，附加电容等误差会被校准掉。除温度补偿外，该程序还可以校正传感器的非线性。几乎所有传感器都使用I2C（内部集成电路）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，我们稍后会介绍。

露点与相对湿度

露点测量的是湿度，而不是相对湿度。这意味着 RH 随温度变化，但湿度不随温度变化。从一种转换为另一种需要温度并使用复杂的方程式。您可以搜索“计算露点”以查找在线计算器，例如此处的示例。下面的图 4 显示了露点与空气温度的转换图。

图 4. RH 露点转换图。图片由 Easchiff 通过 Wikipedia Commons  CC BY-SA 4.0提供

作为近似值，+3% 的 RH 精度转换为大约 +0.6 °C (1.1 °F) 的露点精度。

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% 和 80% 之间的湿度，这些精度通常在 ±02% 和 ±5% RH 之间运行。传感器的工作范围为 0% 到 100%（非冷凝），但精度较低。仔细阅读规格：有些指定典型精度，而不是精度。温度精度通常优于 ±1 °C。

温度范围： 大多数至少在 -25 °C 至 +85 °C 范围内工作，有些更宽。不过，有时 RH 精度声明并未涵盖整个温度范围，尤其是极低或极高的温度范围。一些规格表对此并不清楚。

校准： 这些传感器校准会随着时间缓慢变化。在正常使用情况下，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。污染物也会引起问题。一些传感器包括一个加热器，可以激活它来进行漂移校正。

响应时间： 此类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 63% 的响应在 5 到 10 秒内，气流为每秒 1 米。带有保护过滤器盖的传感器会慢得多，并且可能没有指定响应时间。这仅对快速变化的湿度很重要，例如使用喷水或蒸汽来增加湿度的控制系统。

挑战： 冷凝水或湿水是一个问题，但在清洁应用（无污染物或化学品）中，传感器终应该会恢复。几个传感器指定冷凝后 5 或 10 秒的恢复时间。在严重的情况下，如果您的传感器有漂移校正加热器，则可以使用它。

请注意，我没有找到关于液态水的规格。应适当屏蔽传感器，这会减慢其响应速度。当然，无论如何电路板都不应该弄湿。

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 Sensors (Measurement Specialties)。两者内部都是数字的，如图 3 所示，但添加了数模转换以提供模拟 RH 和温度输出。有一些较旧的纯模拟传感器，但它们不包括存储校准、线性化或温度补偿。

电容式 MEMS 湿度传感器应用

电容式 MEMS 湿度传感器可以服务于工业和仓储应用，而不仅仅是天气和空调。就个人经历来说，我曾经参与过一个项目，用MEMS传感器来控制大型工控柜的温湿度。另一个例子是国家气象局 (NWS) 如何将 [PDF]从复杂的、维护密集型冷镜露点测量转换为用于机场自动化气象站的定制修改电容传感器。

如前所述，这些类型的传感器常用的应用是空调，从广义上讲，它可以包括：

• 印刷过程中的湿度控制（为了获得的油墨附着力）和纸张储存过程中的湿度控制（为了防止卷曲、起皱和尺寸变化）。
• 食物储存，尤其是水果和蔬菜。湿度控制还可以减少肉和鱼中的细菌生长。
• 制药等制造业。
• 静电控制，以避免潜在的破坏性或爆炸性放电。在电子组装中，放电会损坏或毁坏集成电路。
• 木工和塑料注射成型可以通过湿度控制得到改善。

湿度传感器注意事项和提示

电路板组件是湿度传感器需要考虑的主要预防措施。一些提示是：

• 切勿清洁带有开路传感器的电路板。
• 使用免清洗焊料和助焊剂。
• 即使您的传感器有过滤器保护盖，也要小心！遵循制造商的建议。
• 不要让保形涂层接触到传感器。
• 避免挥发性溶剂和有机化学品。除气会扰乱校准，有时是不可逆转的。
• 避免酸、碱、H 2 O 2和高臭氧浓度。
• 不要将空气直接吹向传感器，尤其是可能含有油的压缩空气。换句话说，保持清洁！