【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 半導(dǎo)體硅片作為襯底材料[ l 61薄膜電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖 220薄膜電容式濕度傳感器體積很小，高分子感濕膜很薄，并且將感濕電容制在基板上，基板起支撐感濕電容、增加機(jī)械強(qiáng)度的作用，可防止感濕膜伸縮及變形而使電容值發(fā)生變化，要求基板的材質(zhì)對(duì)水的反應(yīng)是惰性的，可用玻璃等材料制作。在基板上，利用微電子技術(shù)手段中的蒸金、光刻、腐蝕等技術(shù)，制成一對(duì)下電極。 下面以聚酞亞胺膜作介質(zhì)的高分子電容式濕度傳感器為例介紹一下高分子電容式濕度傳感器。利用了聚酞亞胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介電常數(shù)隨之變化的工作原理。元件采用聚酞亞胺( PI ) 為感濕材料，是將聚酞亞胺酸( P A ) 涂在基片上，經(jīng)亞胺化后制成的。吸水后，其介電常數(shù)與環(huán)境的相對(duì)濕度具有線性關(guān)系。PI本身的介電常數(shù)很小，只有 ，而水的介電常數(shù)在室溫時(shí)為8 0 。已有很多理論和經(jīng)驗(yàn)公式來描述 P I和水復(fù)合物的介電性，并與試驗(yàn)結(jié)果作詳細(xì)比較，根據(jù)looyenga 的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式: （211） 式中的 和: 分別為復(fù)合物、 P I 和水的 介電 常數(shù)，v為P I 吸水的體 ， P I 薄膜吸附的水分子越多，v越大，復(fù)合物介電常數(shù)就增大，正是根據(jù)這一原理制成P I ，在P I 薄膜吸收或放出水分子時(shí)，也會(huì)引起薄膜厚度的變化，但因 P i膜很薄，薄膜厚度的變化對(duì)電容值的影響比介電常數(shù)對(duì)電容值的影響要小得多，主要是介電常數(shù)￡的變化引起電容值的改變. 聚酞亞胺是典型的高分子電容式濕度傳感器，是有很大溶解性的高分子電解質(zhì)，其溶液對(duì)溫度、濃度及濕度都敏感，濃溶液比稀溶液穩(wěn)定，可在低溫下貯存較長(zhǎng)時(shí)間。制備濕度傳感器時(shí)，將聚酞亞胺調(diào)至合適濃度，成膜，并進(jìn)行水環(huán)化[ [ 1 7 1 。而上電極的制作實(shí)際就是金屬膜的制造，可以采用濺射、蒸鍍化學(xué)鍍、旋涂等方法，其制作工藝與半導(dǎo)體工藝兼容，制造工藝流程如圖 23 清洗 ，氧化蒸鍍下電極刻蝕下電極涂覆感濕膜刻蝕感濕膜固化感濕膜蒸鍍上電極刻蝕上電極劃片焊接封裝初測(cè)老練測(cè)試篩 產(chǎn)品入庫圖23 工藝流程圖 以上所述濕度傳感器主要測(cè)定相對(duì)濕度。熱敏電阻式絕對(duì)濕度傳感器用來測(cè)定絕對(duì)濕度，它將熱敏電阻的一端封入到干燥空氣中，另一端暴露在大氣中，水蒸汽接觸到能自加熱的熱敏電阻，就會(huì)產(chǎn)生溫度差輸出信號(hào)。在濕度化的空氣中，使用檢測(cè)絕對(duì)水分量的絕對(duì)濕度傳感器精度較好。 其它類濕度傳感器 電磁波濕度傳感器是利用某些物質(zhì)吸附水汽后，振蕩頻率、傳播速度、整流特性等物理性能發(fā)生變化的原理來測(cè)定相對(duì)濕度。電磁波濕度傳感器有晶式、二極管型、微波式、聲表面波濕度傳感器等。應(yīng)用于特殊領(lǐng)域。 晶振式濕度傳感器，石英振子的共振頻率取決于振子的形狀、切向和電等組成的負(fù)載，在電極表面上涂敷吸收濕膜，在吸附水汽后，測(cè)出頻率的變即可測(cè)出相對(duì)濕度值。二極管型，由P d Z n O組成的二極管型濕度傳感器，整流特性隨P d吸濕程度而變，類似的濕度傳感器還有S D O Z 濕敏二極管。微式濕度傳感器，利用水汽吸收微波并使微波傳輸損耗發(fā)生變化的原理制成。表面波濕度傳感器，將吸濕性的聚合物薄膜涂敷在 S A W ( 聲表面波)延時(shí)子上，利用聚合物薄膜吸收水汽使彈性波傳播速度發(fā)生變化的原理制成。 吸收式濕度傳感器是利用化學(xué)吸收劑或其它干燥劑，吸收濕氣體中水蒸直到完全干燥，然后測(cè)出水分的重量即可直接求出氣體的濕度。應(yīng)用于濕度于 1 0 %R H特殊環(huán)境中。分壓式濕度傳感器應(yīng)用于濕度大于 9 0 % R H特殊環(huán)中。紅外線濕度傳感器廣泛應(yīng)用于食品加工過程。 本章介紹了各種傳感器及其測(cè)量原理，重點(diǎn)闡述了電容式濕度傳感器，講述了其感濕機(jī)理，感濕材料和應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)，本章還介紹了市場(chǎng)上出現(xiàn)的各種濕度傳感器，從干濕球濕度計(jì)、毛發(fā)濕度計(jì)和露點(diǎn)儀濕度傳感器到電子式濕度傳感器。隨著儀器儀表向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，電子式濕度傳感器愈來愈得到了廣泛的應(yīng)用。三方案設(shè)計(jì)及測(cè)量原理 高分子電容式濕度傳感器生產(chǎn)己達(dá)到一定的規(guī)模。但要大批量生產(chǎn)，一個(gè)關(guān)鍵的限制因素是:在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)必須給出，這些指標(biāo)決定產(chǎn)品的質(zhì)量性能及可用性，沒有這些質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品將不被認(rèn)可。但目前對(duì)這些質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法及手段存在以下幾個(gè)問題: 1 . 濕度源 ( 濕度發(fā)生裝置)昂貴，不能為普及測(cè)試提供方便及良好的條件: 2 . 檢測(cè)電路精度不高，易受外界散雜小電容的干擾。 3 ， 手工測(cè)量，一次只能檢測(cè)一個(gè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)試數(shù)量有限，且測(cè)試結(jié)果因人而異。 4 . 測(cè)試系統(tǒng)與硬件的接口形式單一，不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)接口最新的發(fā)展。 因此，對(duì)濕度傳感器性能作出快速、準(zhǔn)確，有效的檢測(cè)是企業(yè)急待解決的問題。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)目標(biāo)為: 1 . 提供一套高精度的濕度發(fā)生器，達(dá)到較高的性價(jià)比。 2 . 硬件測(cè)試電路的將散雜電容的干擾消除到最小， %: 3 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度傳感器的批量測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) 3 2路濕度傳感器的同時(shí)測(cè)量，同時(shí)在硬件測(cè)試板做少量改動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)按需任意路數(shù)測(cè)試。 4 . 測(cè)試接口3 . 2 濕度傳感器測(cè)量原理 目前濕度傳感器在生產(chǎn)過程中還停留在手工測(cè)試階段，存在很多問題，本節(jié)對(duì)電容式濕度傳感器進(jìn)行了詳細(xì)地分析，利用電容式濕度傳感器的等效形式，闡述了使用復(fù)數(shù)電壓法測(cè)量對(duì)濕度傳感器的測(cè)量過程，建立了復(fù)數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測(cè)試數(shù)學(xué)模型。采用串行通信R S 2 3 2 接口和U S B接口兩方式。 濕度傳感器測(cè)量原理 目前濕度傳感器在生產(chǎn)過程中還停留在手工測(cè)試階段，存在很多問題，本節(jié)對(duì)電容式濕度傳感器進(jìn)行了詳細(xì)地分析，利用電容式濕度傳感器的等效形式，闡述了使用復(fù)數(shù)電壓法測(cè)量對(duì)濕度傳感器的測(cè)量過程，建立了復(fù)數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測(cè)試數(shù)學(xué)模型。 電容式濕度傳感器的等效形式及單元測(cè)量電路 電容式濕度傳感器在測(cè)量過程中，就相當(dāng)于一個(gè)微小電容，對(duì)于電容的測(cè)量，主要涉及到兩個(gè)參數(shù)，即電容值C和品質(zhì)參數(shù)Q。濕度傳感器并不是一個(gè)純電容，它的等效形式 如圖 3 1虛線部分所示，相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)〔 1 9 3 濕度傳感器構(gòu)成的單元測(cè)量微分電路由濕度傳感器Zc 與反饋電阻R : 構(gòu)成了一個(gè)有源微分電路。輸入信號(hào)V 。 。 在經(jīng)過該電路后受反饋電阻和濕度傳感器的影響形成輸出電壓氣 u。濕度傳感器的等效形式及其構(gòu)成的單元測(cè)量微分電路 （31）而 （32）將（31）代入（32）寫可得) (33)根據(jù)上式可得： （34） （35）令： （36）由于： Q= （37）根據(jù)（36），（37）可得 Q= （38） 即品質(zhì)因數(shù)Q的值為微分電路輸出的復(fù)數(shù)電壓虛部和實(shí)部的比值。所以 對(duì)Q值的 測(cè)量就轉(zhuǎn)換 成對(duì)微分電 路輸出的 復(fù)數(shù)電 壓虛部和實(shí) 部的測(cè)量 。 圖 3 2是電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法測(cè)量的具體測(cè)量電路，其電路組成包括三個(gè)部分:微分電路、反相電路和積分電路。 正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào) 經(jīng)過微分電路( 濕度傳感器含在此電路中) 后， 信號(hào)變成氣 ，對(duì)于氣 的輸出， 分成兩路，一路直接經(jīng)電子開關(guān)K1 后進(jìn)入積分電 路，另一路先經(jīng)過反 相電路， 使 得輸出為。經(jīng)過電子開關(guān) Kz后，也同樣進(jìn)入積分電路。單片機(jī)電路用來控制濕度傳感器通道的切換、電子開關(guān)K1 , K2 : 的閉合與斷開和積分電路數(shù)據(jù)的采集與處理等。 如下圖 3 3是電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法在上述測(cè)量電路中的波形圖，( a ) 表示正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波波形 。 ( b ) 表示經(jīng)過微分電路后相位發(fā)生了偏移的正弦波波形, ( C ) 為對(duì)電容的實(shí)部進(jìn)行整流后的波形。( d)為對(duì)電容的虛部進(jìn)行整流后的波形。其中( b ) , ( c ) , ( d )左圖為將濕度傳感器等效成電容的理想情況， 比 偏移等于一 的波形，右圖為實(shí)際濕度傳感器的測(cè)試結(jié)果， 比 偏移小于一 的波形。圖32 電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法測(cè)量電路 從右圖實(shí)際濕度傳感器的測(cè)試結(jié)果中，可以看出，進(jìn)行虛部測(cè)量時(shí)的積分區(qū)間為（0T/2），進(jìn)行實(shí)部測(cè)量的積分區(qū)間為（T/4~3T/4）。 先看實(shí)部積分的情況，輸入信號(hào)，以此時(shí)間為基準(zhǔn)，則輸出的相位延遲T/4（即），在T/4至3T/4時(shí)間內(nèi)，K1導(dǎo)通K2斷開，對(duì)輸出進(jìn)行積分，在3T/4至5T/4時(shí)間內(nèi)，K2導(dǎo)通，K1斷開，對(duì)進(jìn)行積分，由于和幅值相同，方向相反，所以倆個(gè)時(shí)間段的積分值相同。 利用積分的對(duì)稱性，實(shí)部積分值為，表達(dá)式為： （39）其中：積分電阻，：積分電容，將式（33）式實(shí)部部分帶入（39）： （310）又帶入式（310）可得： （311）根據(jù)（311）式，即可求出實(shí)部積分的值。對(duì)虛部進(jìn)行積分時(shí)，只要將式（32）虛部部分帶入，將積分區(qū)間改成（0~T/2）即可，虛部積分值為，有： （312）此表達(dá)式即測(cè)出虛部積分的值。同時(shí)，電容量C的測(cè)量也包含在此表達(dá)式中。由于上式（312）替換為： （313）令 （314）所以，K為常數(shù)，有： （315）可以看出，K為常數(shù)，虛部測(cè)量和電容C成正比，對(duì)虛部電壓的測(cè)量完成了電容值C的測(cè)量。在上面的公式推導(dǎo)過程中，式（311），（312）直接測(cè)出，的值，根據(jù)（314）,(315)的公式推導(dǎo)，可求出電容值C，根據(jù)公式（38）Q=，可求出品質(zhì)參數(shù)值Q，至此，復(fù)數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測(cè)試數(shù)學(xué)模型建立完成。 基于DS P技術(shù)的復(fù)數(shù)電壓法測(cè)試數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 以上是采用模擬技術(shù)完成C, Q測(cè)量的方法，高速 D S P芯片的出現(xiàn)使我們可以運(yùn)用求和運(yùn)算代替上述的積分運(yùn)算，采樣的時(shí)間段和積分時(shí)間段相同，將積分運(yùn)算轉(zhuǎn)變成核心電路的內(nèi)部求和運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)過修正后，即是要測(cè)量實(shí)部和虛部的值。 進(jìn)行虛部測(cè)量時(shí)，和上述積分時(shí)間段相同，在T / 4 至3 T / 4 時(shí)間段內(nèi)，對(duì)輸出進(jìn)行采樣，在3 T / 4 至5 T / 4 時(shí)間內(nèi)，對(duì) 進(jìn)行采樣，由 于 ，方向相反，所以兩個(gè)時(shí)間段的采樣值相同其表達(dá)式如下: （316）式中：n—總共采樣的周期個(gè)數(shù) 虛部測(cè)量值 修正值單次采樣結(jié)果： 由（313），（315）的推導(dǎo)，可得：= ( 317)式中：電容值C的修正系數(shù)。由式（317）可見，虛部測(cè)量值正比于電容C的值，所以由 得值可以完成電容值C的測(cè)量值。進(jìn)行實(shí)部測(cè)量時(shí)，將采樣時(shí)間的起點(diǎn)改在T/2時(shí)刻，在dsp控制下，在T/2至T時(shí)間段內(nèi)，對(duì)輸出 進(jìn)行采樣，在T至3T/2時(shí)間內(nèi)，對(duì)進(jìn)行采樣，由于和幅值相同，方向相反，所以兩個(gè)時(shí)間段的采樣值相同，表達(dá)式和虛部測(cè)量類似。 (318) 式中：實(shí)部測(cè)量值 修正系數(shù) 由式（38）可知：Q=，即可求出品質(zhì)參數(shù)的值。 至此，兩個(gè)參數(shù)C,Q都已求出。完成了濕度傳感器的測(cè)量。 硬件模塊的實(shí)現(xiàn)方案 在本信息采集系統(tǒng) 硬件模塊中， 從功能 部件分，可以分為濕度源、 測(cè)控電路、通信接口三個(gè)部分。 從系統(tǒng)的角度來看，各個(gè)模塊在系統(tǒng)中都不是相互獨(dú)立的，而是一個(gè)統(tǒng)一的整體，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們必須理清模塊間的從屬關(guān)系、數(shù)據(jù)流向和控制過程。如圖 3 4 ，以測(cè)控電路為核心，控制濕度源通道的選擇，將數(shù)據(jù)采集處理后，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過串口通訊發(fā)送到上位機(jī) 濕度源模塊 核心測(cè)控電路模塊 串口通訊模塊。溫度源模塊核心測(cè)控電路模塊串口通訊模塊 圖3 4硬件設(shè)計(jì)模塊框圖 圖3 5 是使用MC U 5 1 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的過程，外部正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)經(jīng)過濕度傳感器后，經(jīng)過調(diào)試電路，送往單片機(jī)的A / D轉(zhuǎn)換通道，數(shù)據(jù)采樣處理后的結(jié)果經(jīng)過處理后，送往串口，由上位機(jī)顯示出測(cè)量值。溫度源MCU51單片機(jī)串口正弦波發(fā)生器信號(hào)源圖35以MCU51為核心的測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)過程圖3 6是采用D S P為核心的測(cè)量電路框圖，同上面5 1單片機(jī)測(cè)量過程相同，不同之處是少掉了正弦波發(fā)生器電路模塊，由于D S P是高速芯片，利用同步串口送出數(shù)字正弦波數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過D / A轉(zhuǎn)換芯片之后，產(chǎn)生測(cè)量所需的正弦波，這個(gè)正弦波經(jīng)過濕度傳感器后，再經(jīng)過一系列的電路處理后，由D S P的 A/ D采樣，數(shù)據(jù)采樣處理后的結(jié)果送往串口，由上位機(jī)顯示出測(cè)量值。溫度源DSP處理器串口信號(hào)源信號(hào)源 圖36 以DSP為核心的測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)過程為了實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度傳感器測(cè)試的高速自動(dòng)化測(cè)量，需要選擇適當(dāng)?shù)目刂破骱臀⑻幚砥??？紤]的問題有:能否產(chǎn)生較好的信號(hào)源 ( 最好頻率可調(diào)) 。能否實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)信號(hào)的積分值的運(yùn)算或可以高速的A / D采樣。能夠?qū)崿F(xiàn)高速測(cè)量。程序存儲(chǔ)器有著較大的空間 基于以上幾點(diǎn)考慮，選用DS P芯片，它有以下幾方面的優(yōu)勢(shì):1. 利用 D S P的高速接口產(chǎn)生正弦波，不用外加正弦波發(fā)生器，減少了誤差環(huán)節(jié)。