濕度傳感器 CHS系列

電子式高分子濕度傳感器

高分子濕度傳感器可大致分為伸縮型與電子式，電子式中又分為電阻變化型與靜電容量變化型(圖1)。以下將在對(duì)比電子式的兩種結(jié)構(gòu)、檢測(cè)原理不同點(diǎn)的同時(shí)，說(shuō)明各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。

圖1高分子器件型濕度傳感器種類

電子式高分子濕度傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

電阻變化型濕度傳感器會(huì)根據(jù)濕度的變化，其傳感器器件的電阻值發(fā)生變化，而該變化則提取作為電氣信號(hào)。
基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在氧化鋁基板上，金、氧化釕等貴金屬厚膜導(dǎo)體會(huì)打印為梳狀并進(jìn)行燒制，繼而形成電極。其次，在該電極上涂布高分子材料，形成感濕膜。

圖2電阻變化型濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)

高分子膜的"感濕"原理可通過(guò)因水分子吸附作用而自由移動(dòng)的可動(dòng)離子的存在進(jìn)行說(shuō)明。即可以理解為將通過(guò)可動(dòng)離子數(shù)變化所產(chǎn)生的阻抗變化視為導(dǎo)電。
與此相對(duì)，靜電容量變化型濕度傳感器則利用傳感器器件靜電容量隨濕度變化而變化的性質(zhì)，將該變化提取作為電氣信號(hào)。圖3為其基本結(jié)構(gòu)。在氧化鋁基板上形成Au-Pt等下部電極，并在上方均勻涂布數(shù)μm厚度的纖維素或PVA等高分子感濕膜，再在其上方覆上Au薄膜等之后形成上部電極。即靜電容量變化型是以高分子膜為電介質(zhì)的電容器。

圖3靜電容量變化型濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)

容量變化型與電阻變化型的特點(diǎn)

容量變化型濕度傳感器器件擁有優(yōu)異的直線性，可從0%RH的相對(duì)濕度開始進(jìn)行測(cè)量。
但另一方面，0%RH時(shí)的靜電容量高達(dá)數(shù)100pF，而0%～100%RH時(shí)的靜電容量變化幅度則較小，為數(shù)10pF，因此需要擴(kuò)大較小的容量變化的同時(shí)抵消較大的零點(diǎn)偏置，為此，電路會(huì)變得非常復(fù)雜，且成本很高，同時(shí)還需要定期進(jìn)行校正。
而電阻變化型濕度傳感器器件在低濕度范圍(5%RH以下)中的測(cè)量較為困難，阻抗的變化幅度呈指數(shù)函數(shù)特性，可達(dá)到4～5位數(shù)，因此較難確保電路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，并且有其隨著溫度變化而產(chǎn)生的特性變動(dòng)較大(圖4)等缺點(diǎn)。

圖4感濕器件的阻抗?jié)穸忍匦宰儎?dòng)

感濕器件的阻抗?jié)穸忍匦裕ò搭l率）

感濕器件的阻抗?jié)穸忍匦裕ò礈囟龋?/p>

電阻變化型的綜合優(yōu)勢(shì)

但在電阻變化型的阻抗變化幅度及溫度特性方面，可通過(guò)改良電路技術(shù)克服、解決，并可充分發(fā)揮其使用方便及價(jià)格低廉的特點(diǎn)。此外，即使對(duì)于在低濕度范圍中無(wú)法感應(yīng)的問(wèn)題，也可通過(guò)舍棄5%RH以下的測(cè)量使其無(wú)需對(duì)偏置進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)還可避免其因偏置變動(dòng)而導(dǎo)致的老化問(wèn)題，從而使其無(wú)需進(jìn)行定期校正作業(yè)，在實(shí)際使用過(guò)程中形成了極大優(yōu)勢(shì)。
經(jīng)過(guò)這些研究，TDK的濕度傳感器采用了電阻變化型產(chǎn)品。通過(guò)獨(dú)立開發(fā)的高分子材料與電路設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最大限度發(fā)揮上述電阻變化型優(yōu)勢(shì)的單元，并且廣泛應(yīng)用于民用設(shè)備、辦公設(shè)備、測(cè)量設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域中。

CHS系列信號(hào)處理電路

TDK濕度傳感器單元CHS系列的信號(hào)處理電路將根據(jù)圖5所示電路方框圖以及電路圖進(jìn)行說(shuō)明。

圖5CHS系列信號(hào)處理方框圖/電路圖

驅(qū)動(dòng)電路

在濕度傳感器器件中，為了避免發(fā)生電解(分極)，會(huì)通過(guò)將直流成分進(jìn)行切割的電容器C2附加AC電壓，此時(shí)的頻率通常在200Hz～10kHz中進(jìn)行選擇。這是因?yàn)椋?00Hz以下的低頻范圍中，無(wú)法忽略高濕狀態(tài)下的容量性阻抗，同時(shí)，在10kHz以上的高頻范圍中，阻抗會(huì)因低濕狀態(tài)而降低。
然而，即便如此，在低濕、高濕范圍中并非呈現(xiàn)完全的指數(shù)函數(shù)變化，其變化幅度呈變小趨勢(shì)。為此，即使直接對(duì)該傳感器器件固有特性進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，也無(wú)法得到具有良好直線性的輸出，因此，在實(shí)際情況中，將其分割為多個(gè)濕度范圍后，通過(guò)分別變更壓縮率來(lái)進(jìn)行線性化。
CHS系列的驅(qū)動(dòng)電路使用了Z-f轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)濕度傳感器器件自身的阻抗使驅(qū)動(dòng)頻率產(chǎn)生變化。即表示，通過(guò)在低濕范圍中降低驅(qū)動(dòng)頻率，升高阻抗，在高濕范圍中則升高驅(qū)動(dòng)頻率，降低阻抗使其形成接近指數(shù)函數(shù)的特性曲線，從而在對(duì)數(shù)壓縮時(shí)更容易進(jìn)行線性化。

線性化電路

電阻變化濕度傳感器中，相對(duì)于濕度的阻抗變化呈指數(shù)函數(shù)形式，因此如前所述需要進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，但通常情況下，對(duì)數(shù)壓縮由對(duì)數(shù)放大器來(lái)決定。
CHS系列會(huì)將根據(jù)通過(guò)Z-f轉(zhuǎn)換電路得到的濕度發(fā)生變化的頻率轉(zhuǎn)換為脈沖寬度τ的脈沖波形。此時(shí)，使用非線形器件控制負(fù)反饋的時(shí)間常數(shù)，在低濕度時(shí)增大脈沖寬度τ，在高濕度時(shí)則進(jìn)行減小。最終，如圖6(左)圖表所示的指數(shù)函數(shù)特性受到對(duì)數(shù)壓縮，進(jìn)而形成如圖6(右)圖表所示的輸出電壓特性。

圖6Z-f轉(zhuǎn)換電路輸出電壓特性的對(duì)數(shù)壓縮

未進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮的Z-f轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓特性

進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮的Z-f轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓特性

溫度補(bǔ)償電路

在記述容量變化型與電阻變化型的特點(diǎn)時(shí)給出了2種感濕器件的阻抗溫度特性圖表(圖4)，如"按溫度"一側(cè)圖表的各特性線所示，濕度傳感器器件的阻抗值在20～30°C的溫度差下會(huì)出現(xiàn)2～3倍的變化。NTC熱敏電阻的阻抗溫度特性在2倍以下，因此僅依靠熱敏電阻無(wú)法進(jìn)行濕度傳感器的溫度補(bǔ)償。
為此，CHS系列產(chǎn)品中對(duì)運(yùn)用于驅(qū)動(dòng)電路、線性化電路中的所有半導(dǎo)體器件的溫度特性進(jìn)行了詳盡分析，通過(guò)綜合運(yùn)用這些器件對(duì)濕度傳感器器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)然，在此之前有一個(gè)絕對(duì)條件，那就是使?jié)穸葌鞲衅髌骷c信號(hào)處理電路形成一體化，且必須為同一溫度*。
*在濕度測(cè)量過(guò)程中，熱平衡是一個(gè)十分重要的因素，因此若信號(hào)處理電路部位發(fā)熱情況較嚴(yán)重，則檢測(cè)器件部位與電路部位將難以實(shí)現(xiàn)一體化。TDK使用C-MOS IC，通過(guò)將最大消耗電流控制在0.5mA以下，大幅抑制信號(hào)處理電路的發(fā)熱情況，從而解決了該課題。
同時(shí)，也可以將NTC熱敏電阻用作輔助性溫度補(bǔ)償器件。這樣將能夠在更大的溫度范圍中獲得穩(wěn)定的性能。

輸出標(biāo)準(zhǔn)化電路

CHS系列對(duì)電路進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，使其100%RH時(shí)的輸出為Edc 1V，從而可以便于直接讀取輸出。

CHS系列的檢測(cè)及輸出特性

通過(guò)使用這些信號(hào)處理電路，可大幅改善以往被視為電阻變化型濕度傳感器缺點(diǎn)的溫度特性、直線性特性，從而可得到不輸于靜電容量變化型的輸出精度與穩(wěn)定性。在使用擁有超過(guò)NTC壓敏電阻的阻抗溫度變化率的電阻變化型濕度傳感器器件的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)大范圍扁平化檢測(cè)特性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)相對(duì)于濕度的阻抗變化進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，因環(huán)境因素導(dǎo)致的檢測(cè)靈敏度也會(huì)得到壓縮，最終可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的穩(wěn)定性，使其可長(zhǎng)時(shí)間保持初始特性。

實(shí)際運(yùn)用中的優(yōu)點(diǎn)

由于信號(hào)處理電路與傳感器器件形成一體化，因此無(wú)需通過(guò)電纜單獨(dú)分離傳感器器件，同時(shí)即使在低濕環(huán)境下器件阻抗變高，也不會(huì)受到噪音的影響，最終可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)處理。同時(shí)，由于經(jīng)過(guò)了直流信號(hào)的處理，因此無(wú)需使用高價(jià)的屏蔽電纜也可鋪設(shè)長(zhǎng)距離電纜(完成了最長(zhǎng)150m的實(shí)驗(yàn)。理論上可達(dá)到2km左右)。
此外，通過(guò)對(duì)傳感器器件與信號(hào)處理電路進(jìn)行一體化后，用戶將無(wú)需因傳感器器件的偏差或更換傳感器器件而對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)便于使用這一優(yōu)點(diǎn)。


審核編輯：彭菁