湿度传感从模拟到数字的高精度实现

电子发烧友网报道（文/李宁远）在我们所关注的传感器中，湿度传感器是相对不那么起眼的一类。作为一种将湿度信号转换为电信号的器件，湿度传感器的可用之地非常多，无论是延长产品在运输和存储期间的寿命，还是防止汽车摄像头起雾，抑或是控制建筑物中的空气流量和质量。
 
相对湿度传感器的变迁
 
有关湿度的表示分为相对湿度RH和绝对湿度，两种方式都是对大气中所含的水量进行评估。绝对湿度是空气中的水蒸气的量度，与温度无关，表示为每立方米的水分克数。相对湿度以百分比表示，会随大气温度变化。在绝大部分湿度传感器中，输出端都显示相对湿度，因为相对湿度传感器随着使用的环境不断变化始终持续跟踪温度和湿度。
 
模拟湿度传感器在很长一段时间里都是各种应用里测量湿度的首选。随着IC设计集成化更高，出现了对模拟湿度传感器进行升级的需求，数字湿度传感器的出现不仅为更大的系统提供了有线接口，而且与过去的模拟实现相比，数字实现还提供了更高的精度、更小的尺寸、低成本和功耗。
 
数字湿度传感器解决了一个主要问题，就是减小了测量空气湿度所需的湿敏元件包装开口尺寸。湿敏元件与空气中的水分反应，然后将吸收的水分量转换为电阻、电压或数字输出。随着数字湿度传感器技术的进步，湿敏元件具有更小的表面积的同时具备了更高的精度。这也让数字相对湿度传感器在高温和相同湿度水平下比模拟湿度传感器的漂移更小。
 

 1.5mm x 1.5mm x 0.5mm超小封装数字湿度传感，瑞萨

 
除了从模拟湿度传感到数字传感的变迁，还有电阻式湿度传感和电容式湿度传感的对比。电阻式湿度传感结构上更简单，成本也更低，是低成本大批量生产的首选。不过其线性化处理比较麻烦，对于低湿度范围的检测也不够灵敏。电容式湿度传感线性化程度高，在低湿范围里有更好的灵敏度，而且一般来说响应速度会更快。但这也意味着对器件的要求较高，品质不够好的电容式湿度传感往往会因为微小的电容变化产生巨大的误差。在高精度的湿度传感器中一般都以电容式为主。
 
湿度传感精度控制三大要素
 
在关注一个湿度传感IC时，我们首先关注的就是其精度。作为一个湿度传感最直接的关键指标，精度会在各种因素的影响下发生变化。所有湿度传感器精度都会随着时间的推移，在自然老化、应力影响、污染以及和环境相互作用中慢慢漂移。
 

±0.5%RH车规数字集成式湿度传感，TI

 
在确定湿度传感器整体的RH精度时，必须整体考虑时间零点精度、迟滞和长期漂移。这是和精度最直接相关也最重要的三个要素。时间零点精度是器件测试校准后的精度；迟滞和湿度传感的记忆效应有关，精度的偏移会随之前的RH变化，迟滞误差可以尽可能做得低；长期漂移与短期的精度移位不同，是永久性的精度误差，器件厂商只能尽可能通过校正来延缓其漂移。
 
相对应的，想要将湿度传感精度提升也要从这三个方面着手，通过优化检测元件、校正漂移来实现更低的漂移误差和RH精度。高性能的数字RH传感会通过集成校准与温度补偿逻辑提供完全校正的RH。
 
数字湿度封装选择
 
在湿度传感器的设计中，除了精度误差的处理，封装也是非常有讲究的一环。电容式集成湿度传感最常见的是表面贴装，这种封装最大的好处是与其他SMT封装样式相比成本更低而且更简单。但在这种封装中需要注意的是这类湿度传感需要免清洗组装，以防止暴露的传感元件受到污染影响器件精度。
 
WCSP样式的湿度传感也很常见，尺寸很小成本也低，和上一种封装一样，WCSP样式的湿度传感也需要免清洗组装，不过处理WCSP样式封装的难度会更高。
 
还有的封装在SMT基础上对传感元件采取了额外的保护，保护性胶带或者滤膜。这些额外的保护可以在组装过程中保护传感元件，不需要复杂的免清洗安装。
 
小结
 
湿度传感器市场前景十分广阔，尤其在消费电子和物联网领域，越来越多智能化网联化场景需要湿度传感器进行环境信息采集。将温度补偿和校准数据集成在一起的数字湿度传感已经在精度上做到了更高，而更小的尺寸、更低的功耗、更低的成本以及更高集成度也是行业在不断追求的。