干货：SHT3X温湿度传感器的参数说明

1.1一般性考虑事项

检测相对湿度的传感器组件由一个传感元件组成——在大多数情况下是一种聚合物——它根据周围的条件吸收并分解水分子。气体分子进入和离开固体物质的过程相当复杂，并具有大量的特殊效应。

相对湿度传感器的精度可以用三个不同的、相当独立的术语来表征：校准精度、滞后性和长期漂移。除此之外，还考虑了短期稳定性、极值条件行为（即在非常寒冷、炎热、潮湿或干燥的环境中），以及非锂的接近性。

1.2 准确性 - 校准

校准准确性是准确性规格的主要组成部分。它提供了关于个别传感器读数在平衡状态下的偏差信息，相对于校准时刻的高精度参考（通常理解为销售时的时间）。校准准确性的主要容差原因包括批次内变异（例如校准室内的条件均匀性）、批次间变异、校准参考的精度以及传感器的稳定性。校准准确性是相对于露点镜（即高精度参考）来测量的。因此，用户应该能够复现该值。Sensirion通过两个不同的参数来指定校准准确性：最大准确性和典型准确性。

准确性分布：对于一组传感器，如生产批次，测量偏差相对于参考值的分布遵循正态分布。它由平均值μ和标准差σ来表征。

图1传感器绕平均值的偏差分布。

μ±2σ范围的目标是符合典型的精度限制，而μ±4σ范围的目标是符合最大的精度限制。

 

典型精度：集成系统的精度分布目标是在μ±2σ范围内符合典型精度限制。

最大精度：集成系统的精度分布目标是在μ±4σ范围内符合最大精度限制。这等同于目标过程能力指数Cpk ≥ 1.33。100%的最终测试和样本测试确保只有满足最大精度限制的传感器才符合销售资格。

除非另有说明，否则精度限制适用于整个供电电压范围。不同温度下的相对湿度(RH)精度在相应的传感器数据手册中说明。

 

1.3 精度 - 滞后效应

滞后值是指在一定记录点上，同一传感器在干燥环境和潮湿环境下测量值的差异——前提是环境停留时间足够长。换句话说，湿度传感器对其最近经历的条件有一定的“记忆”。具有干燥历史的传感器会带有一些负偏移，而具有潮湿历史的传感器则会带有一些正偏移。滞后效应是由传感器元件的组成和设计造成的。由于滞后效应并不依赖于校准质量，而是依赖于应用中的暴露范围，因此这个值被认为是校准精度之外的附加值。

图2 滞后测量示例。

测量从干燥到湿润和从湿润到干燥的路径（图上的实心点）。每个对数点的停留时间为40分钟。空心点代表平均值，即校准精度。

 

 

校准精度和滞后值是通过在全湿度循环15% → 30% → 50% → 70% → 90% → 90% → 70% → 50% → 30% → 15%中运行传感器来确定的，每个记录点的停留时间为40分钟。为了确定在特定湿度值下的校准精度，从上升路径和下降路径测量的值计算平均值。测量值与平均值之间的差异决定了滞后值。从一批传感器中可以确定各种校准精度值的平均值和标准偏差。使用这些值可以检查典型极限的符合性（见图3）。

图3 准确度分布示例

符合（左侧）或不符合（右侧）指定的准确度限制。开放点代表平均值。误差条表示μ±2σ范围，并旨在保持在典型限制之内。

1.4 精度 - 长期漂移

传感器元件的老化可能导致测量值与参考值相比出现漂移。这种长期漂移是随机的——它可能向上或向下移动，或者随时间改变方向。长期漂移值是每年此类漂移的最大限度。

在Sensirion的情况下，长期漂移是通过将一批传感器暴露于高温运行寿命（HTOL）测试中确定的，测试条件为125°C下运行408小时。这种暴露相当于在25°C下更长时间的老化，可以通过以下公式计算:

 

 

1.5 短期稳定性短期稳定性可以通过重复性来表征，即在相同条件下使用同一传感器进行重复测量。此类术语的度量标准是重复性测量样本的标准偏差。1.6 极端条件

电容式湿度传感器在非常湿润和非常干燥的条件下会发生可逆漂移。以 Sensirion 湿度传感器为例，在相对湿度大于 80%RH 的情况下——湿度越高，漂移越强——传感器读数会逐渐偏高。参考值是在恒定的 90%RH 下暴露 60 小时给出的。在非常干燥的条件下，如回流焊接，传感器读数也会逐渐偏低。此时需要进行重新水合程序，将传感器恢复到其正常读数状态。

1.7 非线性

此术语指的是校准点之外的系统性偏差。通过线性化公式可以校正传感器输出以及温度补偿的这种偏差。因此，使用适当的公式可以将非线性减小到非常小的程度。非线性值包含在准确度容差内，不应被视为额外的项。

1.8 响应时间

对于响应时间，Sensirion指定了一个所谓的τ63%或者等效的τ1/e时间。对于暴露于突变环境中的传感器（测量物理值的阶跃函数），传感器读数通常随时间以指数函数接近最终值。τ63%时间从传感器环境变化的时刻开始，直到传感器读数达到阶跃高度的63%（见图4）。

图4 相对湿度响应时间测试的测量剖面

在测试响应时间时，重要的是除了要测试的参数外，所有其他参数都保持不变。同时，必须确保系统启动的阶跃函数与传感器体验的阶跃函数之间没有死时间。对于温度测量，基材的热质量和热导率起着重要作用。因此，温度响应时间值被规定得非常模糊。

1.9 供电电压

供电电压（VDD）范围由上限和下限以及典型值定义。在该范围内任何供电电压均可用于连续操作。数据手册中指定了仅限于有限时间内可以施加的绝对最大电压。典型值定义了传感器校准和质量控制执行时的供电电压。

1.10 电流和能量消耗

在操作过程中，传感器会吸收一定的供电电流（IDD）。在空闲状态时，这个电流与测量/通信时的电流是不同的。此外，在一组传感器中，电流消耗存在一定的变化。集合的平均值被指定为典型值，而最小值和最大值定义了下限和上限。

功耗（P）的计算公式为 P = IDD * VDD，其中 IDD 是供电电流，VDD 是指定的恒定供电电压。为了确定随时间变化的平均功耗，我们需要考虑特定的测量分辨率和测量频率（在相应传感器的数据手册中有所指示）。然后，平均功耗是在测量间隔内测量时间和空闲状态时间之间平均的功耗。对于指定的测量分辨率和频率，随时间的平均供电电流与平均功耗通过恒定的供电电压VDD相关联。请注意，在启动阶段或在其他传感器功能运行期间会消耗额外的功率。

名词解释

 

露点：露点是空气必须冷却（在恒定气压下）到的温度，以便水蒸气开始凝结成液态水。

绝对湿度：绝对湿度是指在特定体积的干空气中水蒸气的质量。单位是[g/m³]。

混合比混合比是：指在特定质量的干空气中水蒸气的质量。单位是[g/kg]。

热指数：是根据实际气温和相对湿度来表达“感知”的空气温度。它是根据国家气象服务和国家海洋和大气管理局（NOAA）的天气预报办公室确定的。