小型數(shù)字濕度傳感器IC在便攜式和移動(dòng)系統(tǒng)電池中的應(yīng)用

背景

濕度測(cè)量是對(duì)空氣或其他氣體中水分含量的測(cè)量。有幾種方法用來(lái)表示濕度量度：

絕對(duì)濕度（用gm-3表示）。

絕對(duì)水汽壓（衡量空氣中實(shí)際水分含量的測(cè)量，用kPa表示）。

飽和水汽壓（在給定溫度下，空氣中含有的水蒸氣所產(chǎn)生的最大壓力）。

如果水分含量超過(guò)飽和水汽壓，會(huì)產(chǎn)生冷凝，并且水分含量被降低到飽和水汽壓。露點(diǎn)（當(dāng)氣體冷卻時(shí)，冷凝液或霧氣開(kāi)始形成時(shí)的溫度）也用來(lái)衡量空氣中絕對(duì)水分含量?？梢酝ㄟ^(guò)很多技術(shù)來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度，從彈簧支撐結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單機(jī)械指示桿到復(fù)雜且昂貴的分析儀器，例如冷鏡面光學(xué)濕度計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論是相對(duì)濕度、露點(diǎn)、絕對(duì)濕度或等效的濕球溫度，測(cè)量濕度都不是一件容易的事情。

來(lái)自英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（National Physical Laboratory）的研究表明，實(shí)際測(cè)量濕度是十分困難的，因?yàn)椴淮_定的環(huán)境因素，最小的測(cè)量誤差為±3％。由于RH極依賴于溫度，因此我們要知道空氣的精確溫度，以便確定相對(duì)濕度。僅0.2℃的溫度變化就會(huì)導(dǎo)致1%的RH誤差。

分立式電阻和電容相對(duì)濕度傳感器已使用數(shù)年，其填補(bǔ)了機(jī)械和光學(xué)RH感應(yīng)之間的測(cè)量空白。他們與分立式溫度傳感器組合使用，例如熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器（RTD），共同測(cè)量RH和露點(diǎn)。電阻式傳感器使用高分子聚合物薄膜，其依據(jù)吸收水分量而改變導(dǎo)電特性。電容式相對(duì)濕度傳感器利用電容器基板之間的高分子聚合物電介質(zhì)，并通過(guò)檢測(cè)由滲透到高分子聚合物電介質(zhì)層的水氣所引起的電介質(zhì)常數(shù)（Er）和電容的變化來(lái)測(cè)量RH。當(dāng)RH從0變化到100%時(shí)，電介質(zhì)常數(shù)Er通常從3.0變化到4.0。圖1顯示了典型的分立器件傳感器原理圖。

圖1. 典型的分立器件組成的相對(duì)濕度和溫度傳感器

分立式方案比機(jī)械式系統(tǒng)方案體積更小、更容易校準(zhǔn)，但是他們需要很多輔助器件來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化、校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換RH值。這種方法需要額外的電路板空間、更高的功率，并且在給客戶發(fā)貨之前每個(gè)器件單元都需要經(jīng)過(guò)生產(chǎn)線校準(zhǔn)，耗費(fèi)人力；而且，分立式傳感器不適合大批量的回流焊接；此外，分立式傳感器在溫度范圍和使用周期中還存在精度差、變化率高、顯著的滯后作用和嚴(yán)重的感應(yīng)漂移等問(wèn)題。以上因素都增加了生產(chǎn)測(cè)試和校準(zhǔn)的復(fù)雜度，而且意味著在最終應(yīng)用的產(chǎn)品生命周期中需要周期性的校準(zhǔn)。

數(shù)字相對(duì)濕度單芯片傳感器

新興的傳感解決方案把相對(duì)濕度和溫度傳感器直接集成到單芯片CMOS IC中，并具有數(shù)字I2C接口。因?yàn)閮蓚€(gè)傳感器在同一晶圓上位置靠近，所以在相同溫度下RH讀數(shù)總是比分立式方案的讀數(shù)更精確。單芯片傳感器解決方案的一個(gè)典型例子是Silicon Labs Si7005數(shù)字相對(duì)濕度和溫度傳感器。Si7005傳感器通過(guò)晶圓表面上的高分子聚合物薄膜測(cè)量濕度，通過(guò)片上二極管的帶隙電路測(cè)量溫度。唯一所需的片外器件是一對(duì)旁路電容。每一個(gè)Si7005相對(duì)濕度傳感器都經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)，因此無(wú)需客戶校準(zhǔn)。該傳感器采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4mm x 4mm QFN封裝，并具有小型開(kāi)口用于裸露水氣感應(yīng)高分子聚合物薄膜。另外還可以選購(gòu)具有薄型保護(hù)蓋的版本。保護(hù)傳感器在安裝周期以及整個(gè)終端產(chǎn)品壽命周期中，避免由助焊劑、粉塵、化學(xué)物質(zhì)及其他污染物所帶來(lái)的侵害，同時(shí)也增加了回流焊接過(guò)程中的保護(hù)。表1匯總單芯片解決方案（例如Si7005濕度傳感器）與分立式解決方案的特性對(duì)比，展示出單芯片解決方案的優(yōu)勢(shì)。

表1. 單芯片傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)分立式設(shè)計(jì)的好處

通過(guò)以下方式獲得電容到RH的轉(zhuǎn)換和對(duì)RF精度的微調(diào)：

所有器件均在兩個(gè)RH測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電容校準(zhǔn)。

計(jì)算RH時(shí)實(shí)施片上增益和補(bǔ)償校準(zhǔn)。

做進(jìn)一步的非線性化和溫度補(bǔ)償可以達(dá)到±3％的RH精度。非線性化和溫度系數(shù)由Silicon Labs提供。

與傳統(tǒng)的分立式、混合式和MCM解決方案相比，Si7005硬件、軟件和固件的優(yōu)化提供了以下好處：

高集成度

測(cè)量出的濕度和溫度值由片上信號(hào)調(diào)節(jié)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。為了輸出電壓或頻率，無(wú)需片外信號(hào)調(diào)節(jié)或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。物料清單（BOM）僅包括兩個(gè)旁路電容器，而傳統(tǒng)分立式傳感器可能需要幾十個(gè)器件，以實(shí)現(xiàn)相同功能。與分立式傳感器、模塊或混合式/MCM相比，Si7005濕度傳感器具有更小的封裝面積和更輕的重量，所以可獲得更低的整體解決方案成本、更少的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)、更小的體積和重量、更高的可靠性和更快的上市時(shí)間。

即插即用的易用性

數(shù)字輸出和工廠校準(zhǔn)免除Si7005相對(duì)濕度傳感器的校準(zhǔn)過(guò)程，所以每個(gè)傳感器都可以相互替換。在從一個(gè)器件單元切換到另一個(gè)器件單元時(shí)，無(wú)需任何軟件/固件改變或校準(zhǔn)；主機(jī)處理最后的線性化和溫度補(bǔ)償，該算法使用固定值，不因芯片的變換而改變；在生產(chǎn)線上無(wú)需花費(fèi)時(shí)間或人力來(lái)調(diào)整每個(gè)器件單元，由此返工和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)更加方便。

保護(hù)蓋

可選的工廠安裝的保護(hù)蓋，如圖2所示，使Si7005非常牢固和易用。這種薄型疏水性/疏油性薄膜可保護(hù)傳感器在板級(jí)安裝前、中和后，避免液體/冷凝液和粉塵帶來(lái)的侵害，而測(cè)量的靈敏度也不會(huì)受到保護(hù)蓋的影響。

圖2. 具有和不具有保護(hù)蓋的Si7005

從MCU端口引腳為Si7005濕度傳感器供電以獲得低功耗

Si7005相對(duì)濕度傳感器可以動(dòng)態(tài)的從單片機(jī)（MCU）端口引腳獲得每次轉(zhuǎn)換所需的電能。由于Si7005傳感器僅僅需要240-320μA，因此大多數(shù)MCU端口引腳都可以提供此電流。由于Si7005濕度傳感器在兩次轉(zhuǎn)換之間可關(guān)掉電源，因此無(wú)需CS ˉˉ引腳，能夠永久拉低，如圖3所示。

圖3. Si7005低功耗操作配置，電源來(lái)自MCU端口引腳

如何從單片機(jī)端口引腳為傳感器供電：

連接Si7005傳感器的Vdd/Vs引腳到主單片機(jī)上用于開(kāi)關(guān)電源的GPIO。

使用MCU /主機(jī)的Vdd為I2C上拉電阻供電。

器件上電后，允許有28ms為Cext充電（假設(shè)MCU IOH 0.3mA）。

讀取RH和溫度（通常每次需要35ms轉(zhuǎn)換時(shí)間）。

Vs降到0V。

采用線性化和溫度校正系數(shù)，以獲得校準(zhǔn)的RH和溫度值。

Si7005相對(duì)濕度傳感器具有片內(nèi)加熱器，可增加Idd 到大約30mA。除非單片機(jī)端口引腳可提供30mA電流，否則不要在此配置中啟動(dòng)加熱器。如果啟動(dòng)加熱器，功耗增大到3.3V×30mA = 0.1W，晶圓和傳感器溫度將在片外環(huán)境溫度之上增加5℃-8℃（假設(shè)分別為4層和1層PCB使用熱阻（Theta-J-A）50℃/W和80℃/W）。Si7005供電需要Vdd = 3.3 V，此為Si7005數(shù)據(jù)手冊(cè)中Idd的典型值。

上電過(guò)程中，功耗典型值為300μA，4.7μF Cext充電到1.8V需要28ms（或14ms，如果IOH=0.6mA）。

RH測(cè)量（35ms）Idd典型值為240μA。

溫度測(cè)量（35ms）Idd典型值為320μA。

掉電過(guò)程 - 電容放電需要約15ms。器件將處于掉電狀態(tài)一直到下一次轉(zhuǎn)換。

器件自熱

如果溫度和濕度轉(zhuǎn)換每分鐘執(zhí)行1次、2次或4次，96μJ能耗等于下列平均電流：

96μJ / （3.3V x 15） = 2μA平均電流，每分鐘4次轉(zhuǎn)換。

96μJ / （3.3V x 30） = 1μA平均電流，每分鐘2次轉(zhuǎn)換 。

96μJ / （3.3V x 60） = 0.5μA平均電流，每分鐘1次轉(zhuǎn)換。

功耗敏感型便攜式系統(tǒng)的電池選擇

選擇合適的電池是便攜式濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考慮因素。電池的特性因電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)、漏電流和溫度而變化。電池主要分為兩大類：

不可充電的原電池 - 通常比可充電電池成本更低、能量密度更高。

可充電的蓄電池 - 由于活性材料的耗散、電解質(zhì)的損失以及內(nèi)部腐蝕，此類電池不能

無(wú)限次數(shù)的重復(fù)充電，并且在使用前必須進(jìn)行充電。

附錄1列出主要的電池特性，附錄2詳細(xì)說(shuō)明一般的電池類型。

當(dāng)每分鐘操作2次轉(zhuǎn)換時(shí)，Si7005相對(duì)濕度傳感器在每年操作中將消耗8.76毫安時(shí)（mAh），這僅僅是通常電池電量的一小部分。根據(jù)選擇的電池類型不同，需要應(yīng)用下列額外的設(shè)計(jì)原則。

Si7005 Vdd的范圍是2.1V-3.6V。為獲得更好的轉(zhuǎn)換精度，Vdd應(yīng)不低于2.3V。當(dāng)使用AA電池時(shí)，推薦使用兩節(jié)電池串聯(lián)。如果放電限制到1.15V，3000mAh的AA堿性電池的電量將減少到2000mAh，這仍然相當(dāng)充足。

雖然容量有限，鈕扣電池依舊是Si7005濕度和溫度傳感器電源的很好選擇，因?yàn)殡姵仉妷悍蟼鞲衅鞑僮鞣秶?。?duì)于230mAh容量的鈕扣電池來(lái)說(shuō)，當(dāng)GPIO在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉傳感器供電時(shí)，Si7005電量消耗僅為電池容量的一小部分。就原生鋰電池和蓄電池來(lái)說(shuō)，新電池電壓對(duì)于Si7005傳感器來(lái)說(shuō)太高了，需要串聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器。

總結(jié)

低功耗便攜式濕度傳感器的市場(chǎng)需求在不斷增加，新興的用于“物聯(lián)網(wǎng)”的便攜式和移動(dòng)系統(tǒng)也起到極大的推動(dòng)作用。數(shù)字濕度單芯片傳感器IC，例如Silicon Labs Si7005器件，是這種系統(tǒng)的理想選擇。Si7005是小型高性能的相對(duì)濕度和溫度傳感器，最大限度的減少片外元件數(shù)量和BOM成本。片上校準(zhǔn)、數(shù)字I2C主機(jī)接口、可選的保護(hù)蓋，以及具有成本效益的評(píng)估板和開(kāi)發(fā)套件使開(kāi)發(fā)人員可以快速方便的實(shí)現(xiàn)特性豐富的便攜式濕度傳感器系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間和電池壽命至少達(dá)5-10年。對(duì)于沒(méi)有空間限制的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，AA電池是很好的選擇，而在電池尺寸受限的應(yīng)用中，鈕扣電池更佳，并且可提供多年服務(wù)。

附錄1. 電池關(guān)鍵特性詳解

電壓

電池電壓的典型值、最小值和最大值很重要。例如1.5V堿性電池放電范圍是1.5-0.9V。

放電電流

在產(chǎn)品生命周期中，平均放電電流決定操作器件需要提供多大容量的電池。重要的是知道放電電流的最大值，以確保電池能為間歇性負(fù)載提供電流。

電池壽命

電池的壽命取決于放電電流。一般電池壽命是在指定放電電流下的最大電池壽命，其低于最大放電電流。

尺寸和重量

電池的化學(xué)物質(zhì)和應(yīng)用所需的功耗極大影響所選的電池大小和重量。通常，相同能量下更小更輕的電池比更大更重的電池成本更高。

保質(zhì)期

在客戶收到產(chǎn)品之前，應(yīng)考慮電池保質(zhì)期。某些電池比其他電池的保質(zhì)期更長(zhǎng)。有時(shí)保質(zhì)期被指定為自放電電流，應(yīng)該從電池壽命中去除。

溫度

電池化學(xué)成分決定工作溫度范圍。然而，即使指明電池可以在極端的溫度下操作，

電池性能和壽命也可能會(huì)受到影響。低溫可能影響性能，同時(shí)高溫會(huì)顯著降低電池壽命。

原電池或蓄電池

可充電電池或蓄電池可以多次使用，但通常比較昂貴，而且通常需要充電器。

充電

不適當(dāng)?shù)某潆娛浅潆婋姵卦缙谑У闹饕?。更好的充電器所花費(fèi)的成本往往超過(guò)增加的性能和減少替換次數(shù)而節(jié)省的成本。

循環(huán)壽命

充電電池只能使用一定次數(shù)。

成本

技術(shù)上理想的電池可能成本高昂。例如，一次性鋰電池的成本可能是堿性電池的30倍以上，此外，還要加上電池連接器、加工，以及為保護(hù)和/或充電電路的額外電路所需的成本。

附錄2. 常用電池類型

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