電容式濕度傳感器
電容式相對(duì)濕度（RH）傳感器（見照片1），廣泛應(yīng)用于工業(yè)，商業(yè)，和天氣遙測(cè)應(yīng)用。
照片1。容性相對(duì)濕度傳感器是在大范圍的式樣，尺寸和形狀，
包括集成的單片電子元件。這里顯示的傳感器是由不同的制造商。
它們由在其上的聚合物或金屬氧化物的薄膜被沉積在兩個(gè)導(dǎo)電電極之間的襯底。感測(cè)表面上涂有多孔金屬電極，以保護(hù)它免受污染和暴露于冷凝。基板通常是玻璃，陶瓷，或硅。在電容式濕度傳感器的介電常數(shù)的增量變化幾乎是成正比的周圍環(huán)境的相對(duì)濕度。電容的變化通常是0.2～0.5 pF為1％的相對(duì)濕度的變化，而大容量電容是100和500 pF的之間，在50％相對(duì)濕度在25℃下 電容式傳感器的特征在于低的溫度系數(shù)，在高溫下發(fā)揮作用的能力（高達(dá)200℃），從縮合完全恢復(fù)，并且對(duì)化學(xué)蒸氣合理阻力。響應(yīng)時(shí)間為30至60秒為63％RH的階躍變化。
國(guó)家的最先進(jìn)的技術(shù)用于生產(chǎn)電容式傳感器采取許多在半導(dǎo)體制造過程中使用，以產(chǎn)生感應(yīng)器以最小的長(zhǎng)期漂移和滯后的原則的優(yōu)勢(shì)。薄膜電容式傳感器可以包括單片信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成到基板上。最廣泛使用的信號(hào)調(diào)節(jié)器采用了CMOS定時(shí)器脈沖的傳感器，并產(chǎn)生一個(gè)接近線性的電壓輸出（見圖1）。
圖1.接近線性的響應(yīng)在25°C?？吹竭@個(gè)情節(jié)的電容變化與
濕度的應(yīng)用 術(shù)語“大電容”指的是基值，在0％相對(duì)濕度。
電容式傳感器的典型的不確定性為±2％RH從5％到95％相對(duì)濕度與2點(diǎn)校準(zhǔn)。電容式傳感器是由距離傳感元件可以位于從信號(hào)調(diào)理電路中，由于連接電纜的相對(duì)于所述傳感器的相對(duì)小的電容變化的電容效應(yīng)的限制。實(shí)際上的限制是<10英尺。
直接字段互換性可以是一個(gè)問題，除非該傳感器是激光修整，以減少偏差為±2％或提供了一種基于計(jì)算機(jī)的校準(zhǔn)方法。這些校準(zhǔn)方案可以補(bǔ)償傳感器電容100至500 pF的露點(diǎn)。薄膜電容式傳感器提供在低RH離散信號(hào)的變化，保持穩(wěn)定的長(zhǎng)期使用，并具有最小的漂移，但它們不是線性的下面幾％相對(duì)濕度。這些特征導(dǎo)致了露點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展結(jié)合有電容傳感器和基于微處理器的電路，其存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器的校正數(shù)據(jù)。這種方法減少了顯著在工業(yè)HVAC和天氣遙測(cè)應(yīng)用中使用的露點(diǎn)濕度計(jì)和發(fā)射機(jī)的成本。
該傳感器被結(jié)合到一個(gè)單片電路，可提供一個(gè)電壓輸出為RH的函數(shù)?；谟?jì)算機(jī)的系統(tǒng)記錄輸出電壓在20露點(diǎn)值在一個(gè)范圍-40°C至27°C。參考露點(diǎn)被證實(shí)與NIST可追蹤冷鏡式濕度計(jì)。獲取用于將傳感器電壓與露點(diǎn)/霜點(diǎn)值，然后存儲(chǔ)在儀器中的EPROM中。上述微處理器一起同時(shí)干球溫度的測(cè)量來計(jì)算的水蒸汽壓力的線性回歸算法使用這些值。
一旦水蒸汽壓力是確定的，露點(diǎn)溫度從存儲(chǔ)在EPROM的熱力學(xué)方程計(jì)算。相關(guān)的冷凍鏡子比±2°C露點(diǎn)更好地從-40°C至-10°C和±1°C從-10°C至27°C。該傳感器提供優(yōu)于1.5°C露點(diǎn)漂移/年的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。使用這種方法的露點(diǎn)米已實(shí)地測(cè)試，并廣泛用于在冷鏡露點(diǎn)米的成本的一小部分了廣泛的應(yīng)用。
電阻式濕度傳感器
電阻式濕度傳感器（參見圖2）測(cè)量在吸濕介質(zhì)，例如導(dǎo)電聚合物，鹽，或經(jīng)處理的襯底的電阻抗的變化。
照片2。電阻式傳感器是基于一個(gè)叉指或雙線繞組。吸濕性聚合物涂層
的沉積后，其電阻隨濕度成反比變化。在鄧莫爾傳感器（右）所示的1/3大小。
阻抗變化是典型的逆指數(shù)關(guān)系到濕度（參見圖2）：
圖2。電阻傳感器的指數(shù)響應(yīng)，這里繪出在25℃下，通過用于直接抄表或過程控制信號(hào)調(diào)節(jié)線性化。
電阻式傳感器通常由任一沉積在襯底上通過在塑料或玻璃筒光致抗蝕劑技術(shù)或繞線電極的貴金屬電極。在基板上涂布一種鹽或?qū)щ娦愿叻肿?。?dāng)它被溶解或懸浮在液體粘合劑它用作車輛以便均勻地涂覆在傳感器?；蛘撸r底可以被激活的化學(xué)物質(zhì)，如酸處理。傳感器吸收的水蒸汽和離子性官能團(tuán)解離，導(dǎo)致增加的電導(dǎo)率。的響應(yīng)時(shí)間最電阻傳感器范圍從10到30秒的63％的階躍變化。典型的電阻元件的阻抗變化范圍從1千
到100米。
大多數(shù)電阻傳感器使用對(duì)稱的交流激勵(lì)電壓與沒有DC偏置，以防止偏振傳感器。所產(chǎn)生的電流流被轉(zhuǎn)換并整流成直流電壓信號(hào)進(jìn)行縮放的縮放，放大，線性化，或A / DRconversion（參見圖3）。
圖3。電阻式傳感器表現(xiàn)出對(duì)濕度變化的非線性響應(yīng)。此反應(yīng)可以通過模
擬或數(shù)字方法進(jìn)行線性化處理。典型的可變電阻的范圍是從幾千歐姆到
100 mV。 額定勵(lì)磁頻率為30 Hz至10 kHz。
在“電阻”傳感器是不是純電阻在電容的影響>為10-100μm 作出反應(yīng)的阻抗測(cè)量。的電阻相對(duì)濕度傳感器的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其可互換性，通常在±2％RH，它允許電子信號(hào)調(diào)節(jié)電路可以由一個(gè)電阻器在一個(gè)固定的相對(duì)濕度點(diǎn)校準(zhǔn)。這消除了對(duì)濕度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，所以電阻濕度傳感器通常是在現(xiàn)場(chǎng)更換。單個(gè)電阻濕度傳感器的準(zhǔn)確度可以通過在RH校準(zhǔn)室測(cè)試或參考標(biāo)準(zhǔn)的濕度控制的環(huán)境中的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的DA來確認(rèn)。電阻式傳感器的額定工作溫度范圍為-40°C至100°C。
在住宅和商業(yè)環(huán)境中，這些傳感器的壽命是>> 5年。，但接觸化學(xué)氣體和其他污染物，如油霧可能導(dǎo)致過早失效。一些電阻傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)是它們傾向于在暴露于縮合如果水溶性涂層是用來轉(zhuǎn)移值。當(dāng)安裝在大（> 10°F）的溫度波動(dòng)的環(huán)境下電阻式濕度傳感器具有顯著的溫度依賴性。同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償結(jié)合的準(zhǔn)確性。體積小，成本低，互換性強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性，使這些電阻傳感器適用于控制和顯示產(chǎn)品的工業(yè)，商業(yè)和住宅應(yīng)用。
其中的第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的濕度傳感器是鄧莫爾型，由NIST在1940年制定并沿用至今。它包括一個(gè)雙重的塑料圓筒，然后將其涂覆有聚乙烯醇（粘合劑），要么溴化鋰或氯化鋰的混合物繞組鈀絲。不同的溴化鋰或氯化鋰的結(jié)果中，覆蓋20％-40％RH的濕度的跨度非常高的分辨率的傳感器的濃度。在1％-2％RH范圍內(nèi)非常低的相對(duì)濕度控制功能，在0.1％的精度就可以實(shí)現(xiàn)。鄧莫爾傳感器被廣泛應(yīng)用于精密空調(diào)控制，以保持電腦室的環(huán)境和應(yīng)用于電信監(jiān)視器加壓傳輸線，天線和波導(dǎo)。
在電阻式濕度傳感器的最新發(fā)展，采用了陶瓷涂層，以克服局限在發(fā)生結(jié)露的環(huán)境。該傳感器包括一個(gè)陶瓷基片與沉積光致抗蝕劑工藝的貴金屬電極。在襯底表面上涂覆有導(dǎo)電聚合物/陶瓷粘合劑混合物，并且該傳感器帶有灰塵過濾器安裝在一個(gè)塑料保護(hù)外殼。
粘結(jié)材料是一種陶瓷粉末懸浮在液體中的形式。后的表面上涂覆并在空氣中干燥，傳感器是熱處理。這個(gè)過程的結(jié)果在一個(gè)明確的非水溶性的厚膜涂層完全恢復(fù)因暴露于凝結(jié)（參見圖4）。
圖4。水浸漬后，在陶瓷涂層的電阻式傳感器到它的預(yù)浸漬
的典型恢復(fù)時(shí)間，30％的值是5-15分鐘，取決于空氣流速。
制造過程中產(chǎn)生具有優(yōu)于3％RH以上的15％-95％RH范圍內(nèi)的互換性傳感器。這些傳感器的精度被確定為±2％相對(duì)濕度由一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的DA。從全凝結(jié)到30％的恢復(fù)時(shí)間是幾分鐘。當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)器中使用時(shí)，傳感器輸出電壓直接正比于環(huán)境的相對(duì)濕度。
導(dǎo)熱性濕度傳感器
這些傳感器（參見圖3）通過定量的干燥空氣的熱導(dǎo)率和含有水蒸汽的空氣之間的差測(cè)量的絕對(duì)濕度。
照片3。用于測(cè)量絕對(duì)濕度在高溫下，熱導(dǎo)率傳感器被經(jīng)常使用。他們
在不同的工作原理由電阻和電容式傳感器。Avbsolute濕度傳感器是左
和中心;熱敏電阻商會(huì)是在右邊。
當(dāng)空氣或氣體是干燥的，它具有更大的容量，以“下沉”熱量，如在一個(gè)沙漠氣候的例子。沙漠可以是非常炎熱的一天，但夜間氣溫迅速下降，由于干燥的大氣條件。相比之下，潮濕的氣候不降溫如此迅速地在晚上，因?yàn)闊崃渴怯伤魵庠诖髿庵辛舸妗?/span>
導(dǎo)熱性濕度傳感器（或絕對(duì)濕度傳感器）由兩個(gè)匹配的負(fù)溫度系數(shù)的電橋電路（NTC）熱敏電阻元件; 1被氣密封裝在干燥的氮?dú)猓硪环N是暴露于環(huán)境中（參見圖5）。
圖5。在熱導(dǎo)率傳感器，兩個(gè)匹配的熱敏電阻被用于一DC電橋電路。
一個(gè)傳感器被密封在干燥的氮?dú)夂推渌┞兜街車h(huán)境。電橋的輸出
電壓直接正比于絕對(duì)濕度。
當(dāng)電流通過熱敏電阻通過，電阻加熱提高它們的溫度至> 200℃。從密封的熱敏電阻器散發(fā)的熱量大于暴露熱敏電阻由于在水蒸汽相比，干燥的氮?dú)獾臒醾鲗?dǎo)性的差異。由于熱耗散收率不同的工作溫度，在該熱敏電阻的電阻差正比于絕對(duì)濕度（參見圖6）。
圖6。的熱導(dǎo)率傳感器的輸出信號(hào)由操作溫度的影響。最大輸出功率為600℃;在200℃產(chǎn)量下降了70％。
一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)提供的電壓輸出等于0-130克/米的范圍內(nèi)3在60°C。校準(zhǔn)是通過將傳感器在潮濕的空氣或氮?dú)?，并調(diào)整輸出到零進(jìn)行。絕對(duì)濕度傳感器是非常耐用的，在溫度高達(dá)575°F（300℃）操作，并且借助于用于其結(jié)構(gòu)，對(duì)于熱敏電阻，高溫，即，玻璃，半導(dǎo)體材料中的惰性材料的化學(xué)蒸氣耐塑料或鋁的熱導(dǎo)率傳感器的一個(gè)有趣的特點(diǎn)是，它們對(duì)具有熱特性與干燥氮?dú)獠煌臍怏w作出響應(yīng)，這會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。絕對(duì)濕度傳感器通常用于家用電器如衣物干燥機(jī)和微波和蒸汽注入爐。工業(yè)應(yīng)用包括窯烘干的木材，機(jī)械烘干紡織，造紙，化工等固體;藥品生產(chǎn)，烹飪和食品脫水。由于副產(chǎn)物的燃燒和燃料電池的操作之一是水蒸汽，特別感興趣的已被證明在使用絕對(duì)濕度傳感器來監(jiān)測(cè)這些反應(yīng)的效率。
在一般情況下，絕對(duì)濕度傳感器提供更高的分辨率在溫度> 200°F相比做電容式和電阻式傳感器，并且可在應(yīng)用中，這些傳感器將無法生存被使用。絕對(duì)濕度傳感器的典型精度為+3克/米3，這轉(zhuǎn)換為大約±5％RH，在40℃和±0.5％相對(duì)濕度在100℃下。
總結(jié)
在半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步，諸如薄膜沉積，離子濺射，并且陶瓷材料/硅涂層，已成為可能，高度精確的濕度傳感器具有耐化學(xué)品和物理污染物？在經(jīng)濟(jì)的價(jià)格。沒有任何單一的傳感器，但是，能滿足每個(gè)應(yīng)用程序。阻性，容性，和熱導(dǎo)率檢測(cè)每個(gè)技術(shù)提供了明顯的優(yōu)勢(shì)。電阻式傳感器是可以互換的，用于遠(yuǎn)程位置使用，并且具有成本效益。電容傳感器提供寬范圍的相對(duì)濕度和冷凝公差，并且，如果激光修整，也都是可以互換的。熱導(dǎo)率傳感器在腐蝕性的環(huán)境中，并在高溫下表現(xiàn)良好。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，因此，環(huán)境條件決定了傳感器的選擇。
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