湿度传感器的发展趋势

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湿度传感器的发展趋势


摘要：介绍湿敏元件的特性，重点阐述集成湿度传感器、单片智能化湿度/温度传感器的性能特点及产品分类，最后给出集成湿度传感器典型产品的技术指标。    关键词：集成湿度传感器 单片智能湿度/温度传感器 校准 补偿
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
1 湿敏元件的特性
湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。
1.1 湿敏电阻
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。
1.2 湿敏电容
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF～202pF。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。
除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

表1 集成湿度传感器的主要技术指标

产品型号	测量范围/（%RH）	测量精度/（%RH）	电源电压/V	电源电流μA	输出范围或 输出形式	工作温度范围/℃	主要特点
HIH-3602	0～100	±2	4～5.8	200	0.8V～3.9	-40～+85	线性电压输出线， HIH-3610的性能最好， 抗污染能力最强
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	线性电压输出式， 互换性好，不怕水浸。 HM1520特别适合测量低温度
HM1520	0～20	±2	5	400	1V～1.6V	-30～+60	线性频率输出式
HF3223	10～95	±5	5	100	9650Hz～8030Hz	-40～+85	频率/温度输出线，带NTC热敏电阻测量温度
HTF3223	10～95	±5	5	100	9650Hz～8030Hz，还能输出代表-30℃～+80℃温度的电阻值	-40～+85
SHT11	10～95	±3.5	2.45.5	28μA（12位）	串行数据	-40～+120	温度/温度输出式， 单片智能化，适配μP
SHT15	10～95	±2	2.45.5		串行数据	-40～+120

2 集成湿度传感器的性能特点及产品分类
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成以下三种类型：
2.1 线性电压输出式集成湿度传感器
典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
2.2 线性频率输出集成湿度传感器
典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
2.3 频率/温度输出式集成湿度传感器
典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。
3 单片智能化温度/温度传感器
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃。测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度/湿度调节系统中。
芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器（E2PROM）、易失存储器（RAM）是、状态寄存器、循环冗余校验码（CRC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。鉴于SHT11/15输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系，为获得相对湿度的准确数据，必须利用μC对读数值进行非线性补偿。此外当环境温度TA≠+25℃时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿。
芯片内部有一个加热器。将状态寄存器的第2位置“1”时该加热器接通电源，可使传感器的温度大约升高5℃，电源电流亦增加8mA(采用+5V电源)。使用加热器可实现以下三种功能：①通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值，可确定传感器是否正常工作；②在潮湿环境下使用加热器，可避免传感器凝露；③测量露点时也需要使用加热器。
露点也是湿度测量中的一个重要参数，它表示在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。为了计算露点，Sensirion公司还向用户提供一个测量露点的程序“SHT xdp.bsx”。利用该程序可以控制内部加热器的通、断，再根据所测得的温度值及相对湿度值计算出露点。在命令响应界面上运行此程序时，计算机屏幕上就显示提示符“>”。用户首先从键盘上输入字母“S”，然后输入相应的数字，即可获得下述结果：
输入数字“1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x；
输入数字“2”时，测量并显示出相对湿度%RH=xx.x；
输入数字“3”时，打开加热器，使传感器温度升高5℃；
输入数字“4”时，关闭加热器，使传感器降温；
输入数字“5”时，显示露点温度dpC=xx.x。
4 集成湿度传感器典型产品的技术指标
集成湿度传感器典型产品的主要标详见表1。由表可见，集成湿度传感器的测量范围一般可达到0～100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%～95%。设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为550μA，平均工作电流为28μA（12位）或2μA（8位）。上电时默认为休眠模式（Sleep Mode），电源电流仅为0.3μA（典型值）。测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。此外，它们还具有低电压检测功能。当电源电压低于+2.45V±0.1V时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。

李小路

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