电子式高分子湿度传感器的结构与原理

湿度传感器 CHS系列

电子式高分子湿度传感器

高分子湿度传感器可大致分为伸缩型与电子式，电子式中又分为电阻变化型与静电容量变化型(图1)。以下将在对比电子式的两种结构、检测原理不同点的同时，说明各自的优势与缺点。

图1　高分子器件型湿度传感器种类

电子式高分子湿度传感器的结构与原理

电阻变化型湿度传感器会根据湿度的变化，其传感器器件的电阻值发生变化，而该变化则提取作为电气信号。
基本结构如图2所示。在氧化铝基板上，金、氧化钌等贵金属厚膜导体会打印为梳状并进行烧制，继而形成电极。其次，在该电极上涂布高分子材料，形成感湿膜。

图2　电阻变化型湿度传感器的基本结构

高分子膜的"感湿"原理可通过因水分子吸附作用而自由移动的可动离子的存在进行说明。即可以理解为将通过可动离子数变化所产生的阻抗变化视为导电。
与此相对，静电容量变化型湿度传感器则利用传感器器件静电容量随湿度变化而变化的性质，将该变化提取作为电气信号。图3为其基本结构。在氧化铝基板上形成Au-Pt等下部电极，并在上方均匀涂布数μm厚度的纤维素或PVA等高分子感湿膜，再在其上方覆上Au薄膜等之后形成上部电极。即静电容量变化型是以高分子膜为电介质的电容器。

图3　静电容量变化型湿度传感器的基本结构

容量变化型与电阻变化型的特点

容量变化型湿度传感器器件拥有优异的直线性，可从0%RH的相对湿度开始进行测量。
但另一方面，0%RH时的静电容量高达数100pF，而0%～100%RH时的静电容量变化幅度则较小，为数10pF，因此需要扩大较小的容量变化的同时抵消较大的零点偏置，为此，电路会变得非常复杂，且成本很高，同时还需要定期进行校正。
而电阻变化型湿度传感器器件在低湿度范围(5%RH以下)中的测量较为困难，阻抗的变化幅度呈指数函数特性，可达到4～5位数，因此较难确保电路系统的动态范围，并且有其随着温度变化而产生的特性变动较大(图4)等缺点。

图4　感湿器件的阻抗湿度特性变动

感湿器件的阻抗湿度特性（按频率）

感湿器件的阻抗湿度特性（按温度）

电阻变化型的综合优势

但在电阻变化型的阻抗变化幅度及温度特性方面，可通过改良电路技术克服、解决，并可充分发挥其使用方便及价格低廉的特点。此外，即使对于在低湿度范围中无法感应的问题，也可通过舍弃5%RH以下的测量使其无需对偏置进行调整，同时还可避免其因偏置变动而导致的老化问题，从而使其无需进行定期校正作业，在实际使用过程中形成了极大优势。
经过这些研究，TDK的湿度传感器采用了电阻变化型产品。通过独立开发的高分子材料与电路设计技术，实现了最大限度发挥上述电阻变化型优势的单元，并且广泛应用于民用设备、办公设备、测量设备等多个领域中。

CHS系列信号处理电路

TDK湿度传感器单元CHS系列的信号处理电路将根据图5所示电路方框图以及电路图进行说明。

图5　CHS系列信号处理方框图/电路图

驱动电路

在湿度传感器器件中，为了避免发生电解(分极)，会通过将直流成分进行切割的电容器C2附加AC电压，此时的频率通常在200Hz～10kHz中进行选择。这是因为，在200Hz以下的低频范围中，无法忽略高湿状态下的容量性阻抗，同时，在10kHz以上的高频范围中，阻抗会因低湿状态而降低。
然而，即便如此，在低湿、高湿范围中并非呈现完全的指数函数变化，其变化幅度呈变小趋势。为此，即使直接对该传感器器件固有特性进行对数压缩，也无法得到具有良好直线性的输出，因此，在实际情况中，将其分割为多个湿度范围后，通过分别变更压缩率来进行线性化。
CHS系列的驱动电路使用了Z-f转换电路，通过湿度传感器器件自身的阻抗使驱动频率产生变化。即表示，通过在低湿范围中降低驱动频率，升高阻抗，在高湿范围中则升高驱动频率，降低阻抗使其形成接近指数函数的特性曲线，从而在对数压缩时更容易进行线性化。

线性化电路

电阻变化湿度传感器中，相对于湿度的阻抗变化呈指数函数形式，因此如前所述需要进行对数压缩，但通常情况下，对数压缩由对数放大器来决定。
CHS系列会将根据通过Z-f转换电路得到的湿度发生变化的频率转换为脉冲宽度τ的脉冲波形。此时，使用非线形器件控制负反馈的时间常数，在低湿度时增大脉冲宽度τ，在高湿度时则进行减小。最终，如图6(左)图表所示的指数函数特性受到对数压缩，进而形成如图6(右)图表所示的输出电压特性。

图6　Z-f转换电路输出电压特性的对数压缩

 

未进行对数压缩的Z-f转换电路的输出电压特性

进行对数压缩的Z-f转换电路的输出电压特性

温度补偿电路

在记述容量变化型与电阻变化型的特点时给出了2种感湿器件的阻抗温度特性图表(图4)，如"按温度"一侧图表的各特性线所示，湿度传感器器件的阻抗值在20～30°C的温度差下会出现2～3倍的变化。NTC热敏电阻的阻抗温度特性在2倍以下，因此仅依靠热敏电阻无法进行湿度传感器的温度补偿。
为此，CHS系列产品中对运用于驱动电路、线性化电路中的所有半导体器件的温度特性进行了详尽分析，通过综合运用这些器件对湿度传感器器件进行温度补偿。当然，在此之前有一个绝对条件，那就是使湿度传感器器件与信号处理电路形成一体化，且必须为同一温度*。
*在湿度测量过程中，热平衡是一个十分重要的因素，因此若信号处理电路部位发热情况较严重，则检测器件部位与电路部位将难以实现一体化。TDK使用C-MOS IC，通过将最大消耗电流控制在0.5mA以下，大幅抑制信号处理电路的发热情况，从而解决了该课题。
同时，也可以将NTC热敏电阻用作辅助性温度补偿器件。这样将能够在更大的温度范围中获得稳定的性能。

输出标准化电路

CHS系列对电路进行了标准化，使其100%RH时的输出为Edc 1V，从而可以便于直接读取输出。

CHS系列的检测及输出特性

通过使用这些信号处理电路，可大幅改善以往被视为电阻变化型湿度传感器缺点的温度特性、直线性特性，从而可得到不输于静电容量变化型的输出精度与稳定性。在使用拥有超过NTC压敏电阻的阻抗温度变化率的电阻变化型湿度传感器器件的同时，还可实现大范围扁平化检测特性。同时，通过对相对于湿度的阻抗变化进行对数压缩，因环境因素导致的检测灵敏度也会得到压缩，最终可实现优异的稳定性，使其可长时间保持初始特性。

实际运用中的优点

由于信号处理电路与传感器器件形成一体化，因此无需通过电缆单独分离传感器器件，同时即使在低湿环境下器件阻抗变高，也不会受到噪音的影响，最终可实现准确的信号处理。同时，由于经过了直流信号的处理，因此无需使用高价的屏蔽电缆也可铺设长距离电缆(完成了最长150m的实验。理论上可达到2km左右)。
此外，通过对传感器器件与信号处理电路进行一体化后，用户将无需因传感器器件的偏差或更换传感器器件而对电路进行调整，从而实现便于使用这一优点。       


审核编辑：彭菁