電子式高分子濕度傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

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)。以下將在對比電子式的兩種結(jié)構(gòu)、檢測原理不同點的同時，說明各自的優(yōu)勢與缺點。

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。
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)體會打印為梳狀并進行燒制，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"原理可通過因水分子吸附作用而自由移動的可動離子的存在進行說明。即可以理解為將通過可動離子數(shù)變化所產(chǎn)生的阻抗變化視為導(dǎo)電。
與此相對，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。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

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的相對濕度開始進行測量。
但另一方面，0%RH時的靜電容量高達數(shù)100pF，而0%～100%RH時的靜電容量變化幅度則較小，為數(shù)10pF，因此需要擴大較小的容量變化的同時抵消較大的零點偏置，為此，電路會變得非常復(fù)雜，且成本很高，同時還需要定期進行校正。
而電阻變化型濕度傳感器器件在低濕度范圍(5%RH以下)中的測量較為困難，阻抗的變化幅度呈指數(shù)函數(shù)特性，可達到4～5位數(shù)，因此較難確保電路系統(tǒng)的動態(tài)范圍，并且有其隨著溫度變化而產(chǎn)生的特性變動較大(圖4)等缺點。

圖4感濕器件的阻抗?jié)穸忍匦宰儎?/p>

感濕器件的阻抗?jié)穸忍匦裕ò搭l率）

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電阻變化型的綜合優(yōu)勢

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

CHS系列信號處理電路

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

圖5CHS系列信號處理方框圖/電路圖

驅(qū)動電路

在濕度傳感器器件中，為了避免發(fā)生電解(分極)，會通過將直流成分進行切割的電容器C2附加AC電壓，此時的頻率通常在200Hz～10kHz中進行選擇。這是因為，在200Hz以下的低頻范圍中，無法忽略高濕狀態(tài)下的容量性阻抗，同時，在10kHz以上的高頻范圍中，阻抗會因低濕狀態(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。為此，即使直接對該傳感器器件固有特性進行對數(shù)壓縮，也無法得到具有良好直線性的輸出，因此，在實際情況中，將其分割為多個濕度范圍后，通過分別變更壓縮率來進行線性化。
CHS系列的驅(qū)動電路使用了Z-f轉(zhuǎn)換電路，通過濕度傳感器器件自身的阻抗使驅(qū)動頻率產(chǎn)生變化。即表示，通過在低濕范圍中降低驅(qū)動頻率，升高阻抗，在高濕范圍中則升高驅(qū)動頻率，降低阻抗使其形成接近指數(shù)函數(shù)的特性曲線，從而在對數(shù)壓縮時更容易進行線性化。

線性化電路

電阻變化濕度傳感器中，相對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行對數(shù)壓縮，但通常情況下，對數(shù)壓縮由對數(shù)放大器來決定。
CHS系列會將根據(jù)通過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，使用非線形器件控制負(fù)反饋的時間常數(shù)，在低濕度時增大脈沖寬度τ，在高濕度時則進行減小。最終，如圖6(左)圖表所示的指數(shù)函數(shù)特性受到對數(shù)壓縮，進而形成如圖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數(shù)壓縮

未進行對數(shù)壓縮的Z-f轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓特性

進行對數(shù)壓縮的Z-f轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓特性

溫度補償電路

在記述容量變化型與電阻變化型的特點時給出了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法進行濕度傳感器的溫度補償。
為此，CHS系列產(chǎn)品中對運用于驅(qū)動電路、線性化電路中的所有半導(dǎo)體器件的溫度特性進行了詳盡分析，通過綜合運用這些器件對濕度傳感器器件進行溫度補償。當(dāng)然，在此之前有一個絕對條件，那就是使?jié)穸葌鞲衅髌骷c信號處理電路形成一體化，且必須為同一溫度*。
*在濕度測量過程中，熱平衡是一個十分重要的因素，因此若信號處理電路部位發(fā)熱情況較嚴(yán)重，則檢測器件部位與電路部位將難以實現(xiàn)一體化。TDK使用C-MOS IC，通過將最大消耗電流控制在0.5mA以下，大幅抑制信號處理電路的發(fā)熱情況，從而解決了該課題。
同時，也可以將NTC熱敏電阻用作輔助性溫度補償器件。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系列對電路進行了標(biāo)準(zhǔn)化，使其100%RH時的輸出為Edc 1V，從而可以便于直接讀取輸出。

CHS系列的檢測及輸出特性

通過使用這些信號處理電路，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，還可實現(xiàn)大范圍扁平化檢測特性。同時，通過對相對于濕度的阻抗變化進行對數(shù)壓縮，因環(huán)境因素導(dǎo)致的檢測靈敏度也會得到壓縮，最終可實現(xiàn)優(yōu)異的穩(wěn)定性，使其可長時間保持初始特性。

實際運用中的優(yōu)點

由于信號處理電路與傳感器器件形成一體化，因此無需通過電纜單獨分離傳感器器件，同時即使在低濕環(huán)境下器件阻抗變高，也不會受到噪音的影響，最終可實現(xiàn)準(zhǔn)確的信號處理。同時，由于經(jīng)過了直流信號的處理，因此無需使用高價的屏蔽電纜也可鋪設(shè)長距離電纜(完成了最長150m的實驗。理論上可達到2km左右)。
此外，通過對傳感器器件與信號處理電路進行一體化后，用戶將無需因傳感器器件的偏差或更換傳感器器件而對電路進行調(diào)整，從而實現(xiàn)便于使用這一優(yōu)點。


審核編輯：彭菁