對于許多應用來(lái)說(shuō)，MEMS集成電路技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)將復雜的濕度測量技術(shù)轉變?yōu)楹?jiǎn)單、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。天氣監測和空調可能是顯而易見(jiàn)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(guò)程最好在可控濕度下進(jìn)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(jìn)行濕度測量的一些基礎知識，MEMS濕度傳感器的典型類(lèi)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(lái)感知的。圖1說(shuō)明了電容式濕度傳感器的高級結構基礎。
圖 1. 電容式濕度傳感器的基本結構。圖片使用由XY提供
在制作電容式濕度傳感器時(shí)，電極首先沉積在襯底上，通常是硅襯底。接下來(lái)，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(gè)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。MEMS IC傳感器包括將電容測量轉換為數字或模擬輸出所需的電路。
水分子是高度極化的(介電常數約為80)，比聚合物高得多。當電介質(zhì)吸收水蒸氣時(shí)，它的介電常數增加，從而增加電容。在較低的濕度下，電介質(zhì)會(huì )釋放一些水分，電容就會(huì )下降。其變化與相對濕度呈線(xiàn)性關(guān)系，受溫度影響較小。在正常應用中應具有良好的長(cháng)期穩定性。
另一個(gè)屬性是電容很小。非MEMS傳感器（僅電容，無(wú)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(xiàn)或電纜會(huì )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，測量電路是內置的，校準基于總電容。
微機電系統濕度傳感器概述
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?lái)像標準的表面貼裝IC，但有一個(gè)傳感器開(kāi)口。圖2（左）顯示了開(kāi)口，而圖2（右）增加了一個(gè)可選的保護過(guò)濾器蓋。通常，這些傳感器的尺寸為2或3毫米見(jiàn)方，成本僅為幾美元。
再深入一點(diǎn)，圖3顯示了一個(gè)示例功能圖，其中包括溫度測量。
如果您需要計算露點(diǎn)，溫度可能特別有用（我們將在下一節中介紹這個(gè)概念），這需要RH和溫度。大多數IC還在內部使用它來(lái)補償濕度傳感器的溫度系數。需要注意的是，大多數基于電容的傳感器測量的是相對濕度，而不是露點(diǎn)。
初始校準數據以數字方式存儲，因此如上所述，諸如增加電容之類(lèi)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(xiàn)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(xiàn)兼容，有些甚至具有模擬輸出，我們將在稍后介紹。
露點(diǎn)與相對濕度
露點(diǎn)測量的是絕對濕度，而不是相對濕度。這意味著(zhù)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(gè)轉換到另一個(gè)需要溫度并使用復雜的方程。您可以搜索計算露點(diǎn)以查找在線(xiàn)計算器，就像這里的示例一樣。圖4顯示了露點(diǎn)與空氣溫度的轉換圖。
圖 4.RH 露點(diǎn)轉換圖
近似值，+3%的相對濕度精度轉換為約+0.6 °C（1.1°F）露點(diǎn)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：大多數工作溫度范圍至少為 -25 °C 至 +85 °C，有些范圍更寬。然而，有時(shí)RH精度聲明并不能覆蓋整個(gè)溫度范圍，尤其是極端的低溫或最高溫度。一些規格表對此不清楚。
校準：這些傳感器校準會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而緩慢變化。正常使用時(shí)，典型規格為每年 ±0.5% RH。在高濕度下延長(cháng)時(shí)間可以加速這種性能轉變。污染物也會(huì )導致問(wèn)題。一些傳感器包括一個(gè)加熱器，可以激活該加熱器以進(jìn)行漂移校正。
響應時(shí)間：這些類(lèi)型的傳感器的響應時(shí)間通常在很大程度上取決于氣流。典型規格是在 5 到 10 秒內實(shí)現 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(shí)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(lái)增加濕度的控制系統。
挑戰：凝結或潮濕的水是一個(gè)問(wèn)題，但在清潔應用（無(wú)污染物或化學(xué)品）中，傳感器最終應該恢復。幾個(gè)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(méi)有找到關(guān)于液體形式的水的規格說(shuō)明。傳感器應該被適當屏蔽，這會(huì )減慢它的響應。當然，電路板無(wú)論如何都不應該弄濕。
模擬輸出：在研究本文時(shí)，我發(fā)現只有兩家制造商在MEMS IC傳感器上提供模擬輸出，Sensirion和TE傳感器（測量專(zhuān)業(yè)）。兩者內部均為數字，如圖3所示，但增加了數模轉換以提供模擬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(xiàn)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。從個(gè)人經(jīng)驗來(lái)看，我曾經(jīng)參與過(guò)一個(gè)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(gè)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(diǎn)測量切換到用于自動(dòng)機場(chǎng)氣象站的定制修改電容式傳感器。
如前所述，這些類(lèi)型的傳感器最常用的應用是空調，從廣義上講，它可以包括：
在印刷（以獲得最佳的油墨附著(zhù)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(lèi)和魚(yú)類(lèi)中的細菌生長(cháng)。
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(huì )損壞或破壞集成電路。
木工和塑料注塑成型可以通過(guò)濕度控制來(lái)改善。
