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1、电容式湿度传感器的研究摘要湿度是表示大气干湿程度的物理量。空气的湿度与我们的生活、工作、生产都有着直接的联系，为了获得和测量湿度值，就必须对湿度的测量进行研究。本文介绍了一种采用电容原理制作的电容式的湿度传感器。采用型结构的电容式湿度传感器。比较了多种感湿介质的特性，最终选择了聚酰亚胺作为感湿介质填充到型的传感器中。最后，用恒湿盐发生器作为检定标准，校准该电容式湿度传感器。关键词：湿度、电容式湿度传感器、型1 绪论1.1 课题研究的目的及意义湿度是表示大气干湿程度的物理量。有绝对湿度、相对湿度、露点等多种表示方式。绝对湿度是单位体积空气中所含水蒸汽的质量。一般用1立方米空气中所含水蒸汽的克数来
2、表示。对于干燥过程的控制热平衡的调整等，都必须了解绝对湿度。相对湿度为空气中实际所含水蒸汽的密度与同温度下饱和水蒸汽密度的百分比，它是一个无量纲的数。在贮存或加工与周围空气处于湿度平衡的材料时，相对湿度有着很大的意义。空气在一定温度时只能吸收一定量的水汽，空气中的水蒸气达到饱和状态时的温度，叫做露点温度。研究表明：湿润的空气才能保持生机盎然。为防止家具、木质装修、书籍或乐器老化、变形甚至干裂的情况出现，储存以上物品时室内湿度应保持在45%55%RH之间，而冬季北方家庭室内湿度仅为10%15%RH，干燥使我们可能带上20007000伏的高压静电，由于家用和办公电器的普及，静电更是无处不在。严重的
3、静电会使人心情烦躁、头晕胸闷、喉鼻不适。只有检测出空气湿度后，才能运用相应的方法调节空气湿度，有效消除静电，创造森林、海般的清新空气。可见空气湿度的检测对于我们的身心健康和工作学习的重要性。温度、湿度监测在人们现实生活生产中应用已日渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、建筑、仓库、农业大棚等 众多的应用场所，对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温 、湿度数据进行实时监测和控制是一个必须解决的重要前提。本课题即以上述问题为出发点，设计实现了对空气湿度的实时监测系统，该系统能检测出当前空气的湿度。1.2 湿度传感器的现状，发展前景以及目前的最新动态传感器属于多学科交叉、技术密集
4、的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研 究方面科研 投资强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。敏感元件与传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。传感器领域的主要技术正在现有基础上予以延伸和提高，加速新一代传感器的开发和产业化，可以预期：(1) 微机械加工技术（MEMT技术）将高速发展，成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。它不仅可以制成简单的三维结构，而且可以做成三维运动结构与复杂的力平衡结构。采
5、用MEMT技术形成的微传感器和微系统，具有划时代微小体积、低成本、高可靠等独特的优点。(2) 新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和 综合利用，可望研制出一批先进传感器。(3) 传感器应用领域得到新的拓展，二次传感器和传感器系统的比例大幅度增长，集成化、智能化传感器与 变送器将会呈现畅销势。近年来，湿度传感器的研究主要集中在感湿机理以及应用新材料、新工艺提高感湿特性和稳定性等方面。目前，日本、美国等国在湿度传感器的研究上已走在世界前列。湿度传感器可以分为三大类：电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物传感器。湿度传感器具有线
6、性好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产。转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温等特点。现在，湿敏传感器正从简单的湿敏组件向集成化、无损检测、多参数检测的方向迅速发展，为开发新型湿度测控系统创造了有力条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。对高温环境下的测湿，半导体传感器由于其天然的耐高温特性和容易集成的优点，将成为高温湿度传感器的主流，而光纤高温湿度传感器由于其非接触测量特性，将会成为另一种很有应用潜力的传感器件，但是目前只有低温下的结果，若向高温范围应用，还要研究更有效的方法拓展测量范围。同时，由于湿度是比较难检测 的物理量，而且检测湿度时湿度传感器必须直接暴露于待测环境中，因此至今
7、还没有制成抗污染、长期稳定可靠的湿度传感器。在今后比较长的一段时间内，开发具有抗污染性和长期稳定性好的湿敏传感器仍然是一项重要的研究课题。2 系统总体设计方案2.1 设计思路与原则湿度传感器的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介电常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。由于电阻对温度的敏感因而限制了器件在较大温度范围内的应用，因而可以认为未来的湿度传感器将以电容为主。若用电容制成湿敏元件，其电容量通常在4856pF。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于湿度0100%RH的变化，传感器的输出呈01V的线性变化。由此，可以通过湿
8、敏电容湿度传感器测得相对湿度。2.2 系统总体设计2.2.1 工作原理虽然，直接感湿（即直接将大气作为电介质材料）具有响应速度快、灵敏高，但易受大气中尘埃的影响。所以，本电容式湿度传感器采用间接感湿。即，利用其它电介质材料吸附大气中的水汽，从而导致电介质材料介电常数随空气湿度变化。间接感湿的响应速度通常比间接感湿的速度慢，但是有些电介质材料的感湿特性线性度较好，而且不易受大气中尘埃的影响。2.2.2 传感器所用的敏感元件及相关的物理特性常用的湿度传感器的感湿介质主要有：多孔硅、聚酰亚胺和空气。由于本传感器主要和工艺相联系，但是多孔硅又和工艺不兼容，且多孔硅制备的工艺条件及后处理、孔隙及孔径大小
9、的控制很困难，一致性也不够好，其感湿机理比较复杂。因此CMOS湿度传感器的主要感湿介质将以聚酰亚胺和空气为主。但是，由于用空气作为介质，比较容易受到外界环境的干扰，且表面水汽吸附影响较大，对后序处理电路的要求高。湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2%0.8%RH/摄氏度，范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。因此，本传感器的设计中，主要采用聚酰亚胺作为感湿介质。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400以上 ，长期使用温度范围200300，无明显熔点，高绝缘性能，103 赫下介电常数4.0，介电损耗仅0.0040.00
10、7，属F至H级绝缘材料。聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，其中以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。聚酰亚胺的性能主要有：(1)、全芳香聚酰亚胺按热重分析，其开始分解温度一般都在500左右。由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达600，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。 (2)、聚酰亚胺可耐极低温，如在269的液态氦中不会脆裂。 (3)、聚酰亚胺具有优良的机械性能，未填充的塑料的抗张强度都在100Mpa以上，均苯型聚酰亚胺的薄膜（Kapton）为170Mpa以上，而联苯型聚
11、酰亚胺（Upilex S）达到400Mpa。作为工程塑料，弹性膜量通常为34Gpa，纤维可达到200Gpa，据理论计算，均苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的纤维可达 500Gpa，仅次于碳纤维。 (4)、一些聚酰亚胺品种不溶于有机溶剂，对稀酸稳定，一般的品种不大耐水解，这个看似缺点的性能却使聚酰亚胺有别于其他高性能聚合物的一个很大的特点，即可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺，例如对于Kapton薄膜，其回收率可达80%90%。改变结构也可以得到相当耐水解的品种，如经得起120，500 小时水煮。 (5)、 聚酰亚胺的热膨胀系数在210-5310-5，南京岳子化工YZPI热塑性聚酰亚胺310-5，联苯
12、型可达10-6，个别品种可达10-7。 (6)、 聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能，其薄膜在5109rad快电子辐照后强度保持率为90%。 （7）、 聚酰亚胺具有良好的介电性能，介电常数为3.4左右，引入氟，或将空气纳米尺寸分散在聚酰亚胺中，介电常数可以降到2.5左右。介电损耗为10-3，介电强度为100300KV/mm，广成热塑性聚酰亚胺为300KV/mm，体积电阻为1017cm。这些性能在宽广的温度范围和频率范围内仍能保持在较高的水平。 （8）、 聚酰亚胺是自熄性聚合物，发烟率低。 （9）、 聚酰亚胺在极高的真空下放气量很少。 （10）、聚酰亚胺无毒，可用来制造餐具和医用器具，并经得起数千次消
13、毒。有一些聚酰亚胺还具有很好的生物相容性，例如，在血液相容性实验为非溶血性，体外细胞毒性实验为无毒。2.2.3 相关参数本传感器采用标准空气湿度传感器的基本技术参数(参考值)： 25电阻：10K 温度量程：-4565 精度：0.2 响应时间： 10s，90%响应 长期稳定性： 0.1 /年 湿度量程：0100% 精度：2% 响应时间： 30s，90%响应 长期稳定性： 1% /年 探头尺寸：20mm直径 105mm长 探头重量： 50g 传感器防护：不锈钢网状过滤器 电源：730VDC 功耗： 15mA技术参数：空气湿度：范围 0100% 精度 3% 分辨率 0.1%空气温度：范围-3070
14、精度 0.2分辨率 0.1信号输出方式：02.0V或420mA工作电压：1224V(典型值12V)响应时间：1S测量稳定时间：1S工作温度范围：-35752.2.4 传感器数学模型为了获得良好的感湿性能，希望电容湿度传感器的两极越接近、作用面积和感湿介质的介电常数变化越大越好。两极的间距取决于制造工艺，但同时又要充分考虑到传感器的响应时间、线性度、滞回特性等。因此对传感器的结构设计及电介质材料的选择有较高的要求。这里选用类似于W型的结构。如图1所示。图1 W型电容湿度传感器结构W型的电容湿度传感器的优点在于，电容的两极比较接近，提高了电容湿度传感器的灵敏度。其中的介质1和介质2都用聚酰亚胺作为
15、湿敏材料。2.2.5 系统测量电路在测量时，主要是将湿度传感器加入到多谐振荡电路中。多谐振荡器电路将敏感电容的变化转换为电路输出频率的变化，定标后确定环境的湿度，电路输出呈数字特性，利于智能控制。多谐振荡电路示意图如图2所示。图2 多谐振荡电路示意图电路的测量原理为开关S1、S2受输出电压V0 的控制。当V0为高时，S1断开，S2闭合，Cs处于充电状态；当V0为低时，Cs处于放电状态。该电路利用对Cs的充放电使得Vs电压值的变化从而引起施密特触发器翻转。如此循环往复，使输出电压信号V0为一周期性方波。由于充放电的电流大小相等，都为Is，所以该方波为对称方波。Cs上的电荷变化为 如果定义，对于上述施密特触发器的T/2周期时间为因此电路的输出频率为传感器电容的值通过外界湿度的变化而改变,输出频率也是一个湿度RH的函数，即 上述测量电路得到的结果是一个常数与敏感电容之间的比值，它把电容的变化转化为频率的变化。但是在外界湿度保持恒定时，频率或时间周期的稳定性以及温度漂移是主要问题。为解决这些问题，可再做一个与原湿度传感器结构相同但对湿度不敏感的电容器作参考。使环境漂移为零
