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濕度傳感器的發(fā)展趨勢
摘要：介紹濕敏元件的特性，重點闡述集成濕度傳感器、單片智能化濕度/溫度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類，最后給出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：集成濕度傳感器 單片智能濕度/溫度傳感器 校準(zhǔn) 補償
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復(fù)雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的標(biāo)準(zhǔn)也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價格十分昂貴。
近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。
1 濕敏元件的特性
濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。
1.1 濕敏電阻
濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產(chǎn)品的互換性差。
1.2 濕敏電容
濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測量范圍是（1%～99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應(yīng)時間為5s。
除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。
表1 集成濕度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)
輸出形式 工作溫度范圍/℃
主要特點
HIH-3602 0～100 ±2 4～5.8 200 0.8V～3.9 -40～+85 線性電壓輸出線，HIH-3610的性能最好，
抗污染能力最強 HIH-3605 0～100 ±2 4～5.8 200 0.8V～3.9V -40～+85 HIH-3610 0～100 ±2 4～5.8 200 0.8V～3.9V -40～+85 HM1500 0～100 ±3 5 400 1V～4V -30～+60 線性電壓輸出式，
互換性好，不怕水浸。
HM1520特別適合測量低溫度 HM1520 0～20 ±2 5 400 1V～1.6V -30～+60 線性頻率輸出式 HF3223 10～95 ±5 5 100
9650Hz～8030Hz
-40～+85 頻率/溫度輸出線，帶NTC熱敏電阻測量溫度 HTF3223 10～95 ±5 5 100 9650Hz～8030Hz，還能輸出代表-30℃～+80℃溫度的電阻值 -40～+85 SHT11 10～95 ±3.5 2.45.5 28μA（12位） 串行數(shù)據(jù) -40～+120 溫度/溫度輸出式，單片智能化，適配μP SHT15 10～95 ±2 2.45.5 串行數(shù)據(jù) -40～+120
2 集成濕度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類
目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：
2.1 線性電壓輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強。
2.2 線性頻率輸出集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、便于配數(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。
2.3 頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。
3 單片智能化溫度/溫度傳感器
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化溫度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫度室中做過精密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進(jìn)行自動校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測量相對溫度，還能測量溫度和露點。測量相對溫度的范圍是0～100%，分辨力達(dá)0.03%RH，最高精度為±2%RH。測量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測量露點的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá)12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)品互換性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，不需要外部元件，適配各種單片機，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。
芯片內(nèi)部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器（E2PROM）、易失存儲器（RAM）是、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼（CRC）寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數(shù)值與被測相對濕度呈非線性關(guān)系，為獲得相對濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，必須利用μC對讀數(shù)值進(jìn)行非線性補償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA≠+25℃時，還需要對相對濕度傳感器進(jìn)行溫度補償。
芯片內(nèi)部有一個加熱器。將狀態(tài)寄存器的第2位置“1”時該加熱器接通電源，可使傳感器的溫度大約升高5℃，電源電流亦增加8mA(采用+5V電源)。使用加熱器可實現(xiàn)以下三種功能：①通過比較加熱前后測出的相對濕度值及溫度值，可確定傳感器是否正常工作；②在潮濕環(huán)境下使用加熱器，可避免傳感器凝露；③測量露點時也需要使用加熱器。
露點也是濕度測量中的一個重要參數(shù)，它表示在水汽冷卻過程中最初發(fā)生結(jié)露的溫度。為了計算露點，Sensirion公司還向用戶提供一個測量露點的程序“SHT xdp.bsx”。利用該程序可以控制內(nèi)部加熱器的通、斷，再根據(jù)所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點。在命令響應(yīng)界面上運行此程序時，計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶首先從鍵盤上輸入字母“S”，然后輸入相應(yīng)的數(shù)字，即可獲得下述結(jié)果：
輸入數(shù)字“1”時，測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；
輸入數(shù)字“2”時，測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x；
輸入數(shù)字“3”時，打開加熱器，使傳感器溫度升高5℃；
輸入數(shù)字“4”時，關(guān)閉加熱器，使傳感器降溫；
輸入數(shù)字“5”時，顯示露點溫度dpC=xx.x。
4 集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)
集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的主要標(biāo)詳見表1。由表可見，集成濕度傳感器的測量范圍一般可達(dá)到0～100%。但有的廠家為保證精度指標(biāo)而將測量范圍限制為10%～95%。設(shè)計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統(tǒng)時，可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測量階段的工作電流為550μA，平均工作電流為28μA（12位）或2μA（8位）。上電時默認(rèn)為休眠模式（Sleep Mode），電源電流僅為0.3μA（典型值）。測量完畢只要沒有新的命令，就自動返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。此外，它們還具有低電壓檢測功能。當(dāng)電源電壓低于+2.45V±0.1V時，狀態(tài)寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，從而起到了保護(hù)作用。
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