4-3 多种原理的集成湿度传感器-1在线视频

下面我们来介绍

几种典型结构的湿敏传感器

首先第一个是电容型湿敏传感器

这是他的一个典型的结构

在这种结构中

湿敏材料被用来制作

平板式电容的介电材料

结构的下电极

由硅以及金属来构成

上电极由多孔金来构成

多孔金可以是环境中的水蒸气

可以通过来进入介质材料

湿敏介质材料可以是多孔氧化铝

PI即聚酰亚胺等等

这个图是利用多孔碳化硅材料

制作的电容型湿敏传感器性的

输入输出特性曲线

这两条曲线分别描述了

传感器在脱附水分子

和吸附水分子过程中的

电容变化值

可以看到在吸附水分子的

过程中

也就是说圆圈的点所构成的

曲线中

该曲线的线性度比较好

而脱附过程中也就是黑点

描述的曲线中

它的线性度比较差

而且呢有比较大的滞回特性

这个现象可能的原因是

上电极的多孔金

在脱附水分子过程中

起到了一定的阻碍作用

另外一种电容式

湿敏传感器的结构

可以采用插指电容的形式

这个图就是典型的

插指电容结构的湿敏传感器

结构示意图

在这个例子里边

湿敏材料使用聚酰亚胺

它采用标准的CMOS工艺

可以将传感器和标准的电路

都在同一个芯片上

一般来讲可以先进行CMOS的

电路工艺

然后涂附PI完成传感器的制作

左边这个图就是这种传感器的

一个光学照片

这个传感器上包含了

插指电容的湿敏传感器

以及后续的一些信号处理电路

这个曲线呢

就是它的一个输入输出

特性曲线

可以看到传感器在吸附水分子

过程中

和脱附水分子的过程中

其输出信号一致性非常好

也就是说

其滞回特性比较好

同时传感器的精度也比较高

经过测试这个传感器

它的分辨率可以达到0.06%

而精度可以达到1.7%

相应时间可以在20秒之内

湿敏材料吸附水分子以后

它的体积会发生变化

如果我们把湿敏材料涂附在

一个膜结构上

那么湿敏材料在不同湿度

情况下

它的体积的变化

就会使得膜结构发生形变

如果我们将这个膜结构

制作成之前我们介绍的

类似于压阻传感器结构的话

我们就可以利用压阻的方法

来测量环境中的湿度

这个图就是这类传感器的一个

典型的结构示意图

湿敏聚合物材料被涂附在

矩形的一个方膜上

方膜的四个边上

制作有四个压敏电阻

在不同的湿度条件下

膜会产生不一样的形变

那么相对应的输出电压

也和相对应的环境湿度

有一定的关系

一般我们可以得到

这样一个公式

来描述输出电压

与相对湿度的关系

在这个式中

B是斜率

也就是这个传感器的灵敏度

利用类似的原理

我们还可以将湿敏材料

涂附在一个悬臂梁的结构上

这样我们就又可以得到一种

新结构的湿敏传感器

如这样一种结构

在这个结构例子中

湿敏材料采用的是聚酰亚胺

悬臂梁与下面的硅衬底作为

一个可变的电容器

当聚酰亚胺在不同的湿度

环境下时

它会产生不同的应力

从而导致悬臂梁

产生向上或者向下的弯曲

由此使得悬臂梁与下面的硅电极之间

形成的电容值会发生变化

我们检测到该电容的变化

就可以得到环境中湿度的信息

这个图是这一类传感器的一个

扫描电镜图

而右边这个图呢

是它的一个测试结构

当然如果我们将悬臂梁的根部

也制作一个压阻传感器的话

我们还可以用压阻的方式

对这一类传感器进行信号的检测

这样呢就可以得到一个压阻式

悬臂梁的湿度传感器

下面呢

我介绍一种热电偶型的

湿度传感器

这种传感器的工作原理

与传统的干湿球湿度传感器

原理也是类似的

我们知道热电偶传感器

它有两个端

一端我们称之为冷端

另一端我们称之为热端

热电偶的输出电压

与冷热两端的温度差成正比

那么当热电偶

我们是用它作为一个

湿度传感器的时候

我们在它的冷端使它保持

一定的湿度

这种传感器的一个典型结构

可以用这样一个图

来进行描述

在这个结构中

热电偶的湿端

它的水分子会逐渐地蒸发

蒸发过程中会吸热

吸热就会使热电偶的湿端

温度降低

从而成为冷端

由于热电偶塞贝克效应

冷端和热端产生温度差

就会输出一个塞贝克电压信号

当外界的湿度不同的时候

热电偶湿端的水分子

蒸发的速度就会不一样

从而吸收的热量就会不一样

导致冷端和热端的温度差

要产生变化

由此我们就可以通过

热电偶的输出的电位差

来描述环境中湿度的值

另外假如我们在热电偶的湿端

放置一个加热电路的话

通过对湿端进行加热

使得热电偶的冷端和热端

保持相同的温度

这个时候呢

我们就可以用热电偶的加热功率

来表征环境的湿度

这个图呢就是这类传感器的

一个典型的测试结果

我们可以看到在不同的湿度

条件下

这类传感器可以输出

不同的热电电压值

就线性度还是比较好的

当传感器有不同的

加热功率的时候

它的输出电压与湿度

有不一样的特性曲线