【文章內(nèi)容簡介】 起電容量改變的原理工作。該元件的基本結(jié)構(gòu)是在基片上鍍上一層梳狀金底部電極， 再涂上高分子感濕膜， 然后在膜上面鍍上另一層透水性好的金膜作為部電極。有的濕度傳感器再蓋上一層多孔網(wǎng)罩以增加抗污染能力， 延長使用命。 早期感濕膜多采用醋酸纖維素及其衍生物。目前大多采用的是醋酸丁酸纖維素。電容型濕敏材料常見的還有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等感濕材料。這類濕度傳感器近十年研究得比較活躍， 其主要優(yōu)點是響應(yīng)時間快， 滯后性小， 在低濕處的靈敏度也高， 穩(wěn)定性好， 制作簡單， 易于實現(xiàn)小型化和集成化。主要缺點是抗高濕能力差， 長期穩(wěn)定性有待進一步研究。 電容式濕度傳感器用的電介質(zhì)通常有兩類 。高分子有機介質(zhì)和陶瓷。近年來，等離子體復合膜和玻璃陶瓷作為介質(zhì)的電容式濕度傳感器得到較快發(fā)展。在低濕度下 ( 3 0 %R H 以下 )適用電容型濕度傳感器為宜。 電容式濕度傳感器的感濕機理是基于電極間的高分子感濕材料吸附環(huán)境中的水分子時，其介電常數(shù)也隨之變化，其電容量與環(huán)境中水蒸氣相對壓 ( 習 P o ) 14 關(guān)系可由下式表示 : 式中： ?0 為真空介電常數(shù)： ?u 為相對濕度 U%RH 時高分子的介電常數(shù)； S 為電容式傳感器有效電容面積； D 為高分子感濕膜厚。 其中 ???ORU HaW 2?? (26) 1 0 0/)/( 0 buPb PW U ?? （ 27） 式中 :: ， 為相對濕度 0 % R H 時高分子的介電常數(shù) :a , b 為常數(shù) 。 為相對濕度 U %R H 時，高分子中吸附水的介電常數(shù)。 高 分子濕度傳感器在結(jié)構(gòu)上等同于一個變介電參數(shù)的平板電容器，當被測環(huán)境濕度變化時，感濕膜吸附水分子使電容器的介電參數(shù)增大。平板電容的數(shù)學表達式如下所示 : kux ???? 0 （ 28） dskudSdSxxc ??? ?? 0 （ 29） 式中： ?x 材料在不同相對濕度下的介電常數(shù)； ?0 0%RH 介電常數(shù) K— 是常數(shù) u— 是相對濕度 cx 是元件在不同相對濕度時的電容量 S— 下電極面積 d— 感濕膜厚度 對于一個固定的元件， ?,0 S,d 均可視為常數(shù)，可以設(shè)： dsk /01 ?? dskk ?2 （ 210） 所以： ukkcx 21?? （ 211） 由上式可以 看見， C 。 與 U 呈線性關(guān)系， 從而由 元件電 容量的 大小，即可決定環(huán)境中相對濕度的大小。 濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小。便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化 ，其精度一般比濕敏電阻要低一 些。高分子電容型濕度傳感器的典型產(chǎn)品有 RSD 2 型，其響應(yīng)即可測范圍 ( 0 15 99 % RH)都很好，但在高濕度情況下連續(xù)使用易于劣化。 高分子電容型濕度傳感器屬三層式結(jié)構(gòu)，即上層為方塊電極金屬膜層，中間是聚酞亞胺膜，下層是叉指狀電極金屬膜層，采用半導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、增加機械強度的作用，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)在室溫時為 8 0 。已有很多理論和經(jīng)驗公式來描述 P I 和水復合物的介電性，并與試驗結(jié)果作詳細比較，根據(jù) looyenga 的半經(jīng)驗關(guān) 系式 : })([ 311311312 ???? ??? v （ 211） 式中的 和 : 分別為復合物、 P I 和水的 介電 常數(shù)， v 為 P I 吸水的體 積百分數(shù) .濕度越大， P I 薄膜吸附的水分子越多， v 越大，復合物介電常數(shù)就增大，正是根據(jù)這一原理制成 P I 薄膜電容式濕度敏感元件 .當然，在P I 薄膜吸收或放出水分子時，也會引起薄膜厚度的變化，但因 P i 膜很薄，薄膜厚度的變化對電容值的影響比介電常數(shù)對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 . 16 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時間。制備濕度傳感器時，將聚酞亞胺調(diào)至合適濃度，成膜，并進行水環(huán)化 [ [ 1 7 1 。而上電極的制作實際就是金屬膜的制造，可以采用濺射、蒸鍍化學鍍、旋涂等方法，其制作工藝與半導體工藝兼容，制造工藝流程如圖 23 17 圖 23 工藝流程圖 熱敏電 阻式絕對濕度傳感器 以上所述濕度傳感器主要測定相對濕度。熱敏電阻式絕對濕度傳感器用來測定絕對濕度，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，就會產(chǎn)生溫度差輸出信號。在濕度化的空氣中，使用檢測絕對水分量的絕對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 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)生變化的原理來測定相對濕度。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載，在電極表面上涂敷吸收濕膜，在吸附水汽后，測出頻率的變即可測出相對濕度值。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 老練 測試篩 產(chǎn)品入庫 18 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 吸收式濕度傳感器是利用化學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。 小結(jié) 本章介紹了各種傳感器及其測量原理，重點闡述了電容式濕度傳感器，講述了其感濕機理，感濕材料和應(yīng)用場合，同時，本章還介紹了市場上出現(xiàn)的各種濕度傳感器，從干濕球濕度計、毛發(fā)濕度 計和露點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)計及測量原理 引言 高分子電容式濕度傳感器生產(chǎn)己達到一定的規(guī)模。但要大批量生產(chǎn)，一個關(guān)鍵的限制因素是 :在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，各項技術(shù)質(zhì)量指標必須給出，這些指標決定產(chǎn)品的質(zhì)量性能及可用性，沒有這些質(zhì)量技術(shù)指標產(chǎn)品將不被認可。但目前對這些質(zhì)量技術(shù)指標的測試方法及手段存在以下幾個問題 : 1 . 濕度源 ( 濕度發(fā)生裝置 )昂貴，不能為普及測試提供方 便及良好的條件 : 2 . 檢測電路精度不高，易受外界散雜小電容的干擾 。 3 ， 手工測量，一次只能檢測一個，費時費力，測試數(shù)量有限，且測試結(jié)果因人而異 。 4 . 測試系統(tǒng)與硬件的接口形式單一，不能適應(yīng)計算機接口最新的發(fā)展。 因此，對濕度傳感器性能作出快速、準確，有效的檢測是企業(yè)急待解決的問題。針對這些問題，設(shè)計目標為 : 1 . 提供一套高精度的濕度發(fā)生器，達到較高的性價比 。 19 2 . 硬件測試電路的將散雜電容的干擾消除到最小，電容測試引用誤差達到 %: 3 ， 實現(xiàn)對濕度傳感器的批量測試，測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對 3 2 路濕度傳感器的同時測量，同時在硬件測試板做少量改動的情況下，實現(xiàn)按需任意路數(shù)測試 。 4 . 測試接口 3 . 2 濕度傳感器測量原理 目前濕度傳感器在生產(chǎn)過程中還停留在手工測試階段，存在很多問題，本節(jié)對電容式濕度傳感器進行了詳細地分析，利用電容式濕度傳感器的等效形式，闡述了使用復數(shù)電壓法測量對濕度傳感器的測量過程，建立了復數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測試數(shù)學模型。采用串行通信 R S 2 3 2 接口和 U S B 接口兩方式 。 濕度傳感器測量原理 目前濕度傳感器在生產(chǎn)過程中還停留在手工測試階段，存在很多問題，本節(jié)對電容式濕度傳感器進行了詳細地分析，利用電容式濕度傳感器的等效形式，闡述了使用復數(shù)電壓法測量對濕度傳感器的測量過程，建立了復數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測試數(shù)學模型。 電容式濕度傳感器的等效形式及單元測量電路 電容式濕度傳感器在測量過程中，就相當于一個微小電容，對于電容的測量，主要涉及到兩個參數(shù)，即電容值 C 和品質(zhì)參數(shù) Q。濕度傳感器并不是一個純電容，它的等效形式 如 圖 3 1虛線部分所示，相當于一個電容和一個電阻的并聯(lián)〔 1 9 3 濕度傳感器構(gòu)成的單元測量微分電路由濕度傳感器 Zc 與反饋電阻 R : 構(gòu)成了一個有源微分電路。輸入信號 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 Zc 的等效形式及其構(gòu)成的單元測量微分電路 XRZcxCj?? 11 （ 31） 而 RZVVfCinout ?? （ 32） 將（ 31）代入（ 32） 寫可得 20 VXRVRRV incfinXFou t j??? ( ) (33) 根據(jù)上式可得： 的實部）VVRRVoutinxfa (?? （ 34） )(fb 的虛部VVXRVoutinc?? （ 35） 令： XRVVVVVcxbaout j ???ab, 所以 （ 36） 由于： Q=XRcx （ 37） 根據(jù)（ 36），（ 37）可得 Q=VVab （ 38） 即品質(zhì)因數(shù) Q 的值為微分電路輸出的復數(shù)電壓虛部和實部的比值。所以 對Q 值的 測量就轉(zhuǎn)換 成對微分電 路輸出的 復數(shù)電 壓虛部和實 部的測量 。 電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法測量電路 圖 3 2是電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法測量的具體測量電路，其電路組成包括三個部分 :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 經(jīng)過微分電路 ( 濕度傳感器含在此電路中 ) 后， 信號變成氣 ，對于氣 的輸出， 分成兩路，一路直接經(jīng)電子開關(guān) K1 后進入積分電 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，也同樣進入積分電路。單片機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。 復數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測試數(shù)學模型的建立 如下圖 3 3 是電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法在上述測量電路中的波形圖， ( 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 ) 為對電容的實部進行整流后的波形 。( d)為對電容的虛部進行整流后的波形。其中 ( b ) , ( c ) ,