對于許多應用來說，MEMS集成電路技術(shù)的進步已經(jīng)將復雜的濕度測量技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵?、低成本的傳感器。這些傳感器可能并不適用于所有應用;然而，它們在相對清潔的環(huán)境條件下工作得很好。天氣監(jiān)測和空調(diào)可能是顯而易見的選擇，盡管其他應用還包括食品儲存、倉庫和印刷的濕度控制等。此外，化工和制藥等工業(yè)過程最好在可控濕度下進行，電子組裝需要避免低濕度，以防止靜電放電損害。
在本文中，我們將介紹使用電容傳感進行濕度測量的一些基礎知識，MEMS濕度傳感器的典型類型、性能、應用和其他注意事項。
電容式濕度傳感器測量基礎知識
濕度是由電容利用濕敏介質(zhì)來感知的。圖1說明了電容式濕度傳感器的高級結(jié)構(gòu)基礎。
圖 1. 電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。圖片使用由XY提供
在制作電容式濕度傳感器時，電極首先沉積在襯底上，通常是硅襯底。接下來，沉積一層薄薄的對濕度敏感的電介質(zhì)層，通常是聚合物，然后在上面添加第二個透濕電極。最后，傳感器上覆蓋了一層透水層，以防止污染和凝結(jié)。MEMS IC傳感器包括將電容測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬輸出所需的電路。
水分子是高度極化的(介電常數(shù)約為80)，比聚合物高得多。當電介質(zhì)吸收水蒸氣時，它的介電常數(shù)增加，從而增加電容。在較低的濕度下，電介質(zhì)會釋放一些水分，電容就會下降。其變化與相對濕度呈線性關(guān)系，受溫度影響較小。在正常應用中應具有良好的長期穩(wěn)定性。
另一個屬性是電容很小。非MEMS傳感器（僅電容，無電子元件）通常指定200 pF或更低，從0到100%RH的變化小于20%。幾英寸的連接線或電纜會導致重大誤差，測量電路的電容也是如此。然而，對于MEMS傳感器，測量電路是內(nèi)置的，校準基于總電容。
微機電系統(tǒng)濕度傳感器概述
圖2.典型的MEMS IC濕度傳感器示例（左），該傳感器也可帶保護蓋（右）
這些傳感器通?？雌饋硐駱藴实谋砻尜N裝IC，但有一個傳感器開口。圖2（左）顯示了開口，而圖2（右）增加了一個可選的保護過濾器蓋。通常，這些傳感器的尺寸為2或3毫米見方，成本僅為幾美元。
再深入一點，圖3顯示了一個示例功能圖，其中包括溫度測量。
如果您需要計算露點，溫度可能特別有用（我們將在下一節(jié)中介紹這個概念），這需要RH和溫度。大多數(shù)IC還在內(nèi)部使用它來補償濕度傳感器的溫度系數(shù)。需要注意的是，大多數(shù)基于電容的傳感器測量的是相對濕度，而不是露點。
初始校準數(shù)據(jù)以數(shù)字方式存儲，因此如上所述，諸如增加電容之類的誤差將被校準掉。除了溫度補償外，該程序還校正傳感器的非線性。幾乎所有傳感器都使用I2C（集成電路間）串行通信，通常與SPI（串行外設接口）總線兼容，有些甚至具有模擬輸出，我們將在稍后介紹。
露點與相對濕度
露點測量的是絕對濕度，而不是相對濕度。這意味著相對濕度隨溫度而變化，但絕對濕度不隨溫度而變化。從一個轉(zhuǎn)換到另一個需要溫度并使用復雜的方程。您可以搜索計算露點以查找在線計算器，就像這里的示例一樣。圖4顯示了露點與空氣溫度的轉(zhuǎn)換圖。
圖 4.RH 露點轉(zhuǎn)換圖
近似值，+3%的相對濕度精度轉(zhuǎn)換為約+0.6 °C（1.1°F）露點精度。
典型的濕度傳感器性能、特性和功能
下面，讓我們概述一下通用MEMS濕度傳感器的一些基本性能指標。
濕度測量精度：對于 20% 到 80% 之間的濕度，這些精度通常在 ±02% 到 ±5% RH 之間運行。傳感器的工作范圍為0%至100%（非冷凝），但精度較寬松。仔細閱讀規(guī)格：有些指定了典型精度，而不是最大值。溫度精度一般優(yōu)于±1°C。
溫度范圍：大多數(shù)工作溫度范圍至少為 -25 °C 至 +85 °C，有些范圍更寬。然而，有時RH精度聲明并不能覆蓋整個溫度范圍，尤其是極端的低溫或最高溫度。一些規(guī)格表對此不清楚。
校準：這些傳感器校準會隨著時間的推移而緩慢變化。正常使用時，典型規(guī)格為每年 ±0.5% RH。在高濕度下延長時間可以加速這種性能轉(zhuǎn)變。污染物也會導致問題。一些傳感器包括一個加熱器，可以激活該加熱器以進行漂移校正。
響應時間：這些類型的傳感器的響應時間通常在很大程度上取決于氣流。典型規(guī)格是在 5 到 10 秒內(nèi)實現(xiàn) 63% 的響應，每秒 1 米的氣流。帶有保護性濾波器蓋的傳感器將慢得多，并且響應時間可能未指定。這只適用于快速變化的濕度，例如使用噴水或蒸汽來增加濕度的控制系統(tǒng)。
挑戰(zhàn)：凝結(jié)或潮濕的水是一個問題，但在清潔應用（無污染物或化學品）中，傳感器最終應該恢復。幾個傳感器指定冷凝后恢復 5 秒或 10 秒。在嚴重的情況下，如果您的傳感器有漂移校正加熱器，則可以使用漂移校正加熱器。
請注意，我沒有找到關(guān)于液體形式的水的規(guī)格說明。傳感器應該被適當屏蔽，這會減慢它的響應。當然，電路板無論如何都不應該弄濕。
模擬輸出：在研究本文時，我發(fā)現(xiàn)只有兩家制造商在MEMS IC傳感器上提供模擬輸出，Sensirion和TE傳感器（測量專業(yè)）。兩者內(nèi)部均為數(shù)字，如圖3所示，但增加了數(shù)模轉(zhuǎn)換以提供模擬RH和溫度輸出。有一些較舊的傳感器是純模擬的，但它們不包括存儲的校準，線性化或溫度補償。
電容式MEMS濕度傳感器應用
電容式MEMS濕度傳感器可用于工業(yè)和倉儲應用，而不僅僅是天氣和空調(diào)。從個人經(jīng)驗來看，我曾經(jīng)參與過一個使用MEMS傳感器控制大型工業(yè)控制柜中的溫度和濕度的項目。另一個例子是美國國家氣象局（NWS）從復雜的，維護密集型的冷鏡露點測量切換到用于自動機場氣象站的定制修改電容式傳感器。
如前所述，這些類型的傳感器最常用的應用是空調(diào)，從廣義上講，它可以包括：
在印刷（以獲得最佳的油墨附著力）和紙張儲存（以防止卷曲，起皺和尺寸變化）中的濕度控制。
食物儲存，特別是水果和蔬菜。濕度控制還可以減少肉類和魚類中的細菌生長。
制藥和其他制造業(yè)。
靜電控制，以避免潛在的破壞性或爆炸性放電。在電子裝配中，放電會損壞或破壞集成電路。
木工和塑料注塑成型可以通過濕度控制來改善。
