高分子電容型濕度傳感器研制

湯　辰，萬　衡，王凱凱

（上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海201418）

高分子電容型濕度傳感器研制

湯辰，萬衡*，王凱凱

（上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海201418）

隨著工業的快速發展，對溫度檢測和控制日益嚴格，溫度傳感器已無法跟上人們的需求，通過優化濕度傳感器的表面結構和對感濕材料微孔設計提高了感濕特性，增強感濕材料的感濕特性，并對濕度傳感器測量電路進行改進，提高微小電容測量，設計濕度測試系統。通過實驗驗證了改進后的濕度傳感器測量效果更優越。

高分子；濕敏電容；濕度測量；濕度傳感器

隨著我國的經濟快速發展，許多行業諸如電力、電子石化、冶金、醫療、航空航天等對濕度測量的精度要求越來越嚴格，濕度測量逐漸成為一門重要的研究領域。濕度傳感器從簡單化向集成化、多參數化、智能化方向迅速發展［1］。高分子濕敏電容作為第三代的濕度傳感器迅速發展起來，但目前電容型濕度傳感器在實際應用中常存在線性差、濕滯大、精度低、成品率低、性能不穩定等缺點，特別在低濕范圍（0.2%RH～10%RH）內電容量幾乎上沒有變化，易出現失靈現象。鑒于此，本文重點從濕敏電容結構設計和對濕度測量電路改進兩個方面提高濕度傳感器測量特性。

1濕敏電容結構設計

1.1微孔設計

根據Fick擴散第二法則和Darcy流動法則，水分子在微孔中的擴散過程可用式（1）表示：

式中：Mt為t時的吸收量；Msat為完全浸潤時的吸收量；l為厚度；m為微孔的數量；D為擴散系數，其中D與微孔的直徑和體積的分布相關。

從上述公式可以看出水分子在感濕材料擴散，和感濕材料微孔的數量和大小有直接關系。同時再根據聚酰亞胺的感濕機理，發現當環境濕度改變以后，有效介電常數的變化由式（2）給出：

式中：K為比例系數，RH為相對濕度，P為感濕膜的氣孔率。又因電容的變化與εr有關，也就與相對濕度有關，可以給出當相對濕度改變時，電容發生的相對變化為：

感濕材料的微孔設計對濕度測量結果有直接影響，微孔結構可以增強感濕材料的感濕特性，提高濕度傳感器的測量性能［2-3］。

收稿日期：2015-07-15修改日期：2015-08-14

在聚合物材料中形成微孔結構主要分為：形成聚合物的氣體溶液，氣泡成核，泡孔生長，定型4個過程。其中，氣泡成核和泡孔生長為發泡過程，氣泡成核也是最關鍵的一步，對聚合物的宏觀物理性能及微觀泡孔結構都有重要影響。氣泡成核過程是指氣泡在一個亞穩態的聚合物熔體中形成的初始狀態，此時刻的氣泡需要克服自由能才能變大。在過程中為了降低成核自由能，提高成核速率，可以通過提高溶液的過飽和程度（通常由降低壓力或升高溫度方法來實現），氣泡成核以后，又會因溶液中氣體分子向氣核內部擴散而生長。泡孔生長過程是一個與聚合物熔體內氣體、氣泡周圍的物質等性質都有關系，具體由動量方程、連續性方程、質量平衡方程、動量平衡方程、擴散方程和本構方程等決定。

聚酰亞胺內部的微孔形成主要通過控制泡孔生長和定型來實現，聚酰亞胺在氣泡成核后其內部可形成一定的孔道結構，從而控制泡孔的生長，使其泡孔的大小在微孔尺寸范圍內，最后通過定型使聚合物內部具有微小孔道結構。

1.2表面結構設計

上極板結構設計成柵條狀，如圖1所示，“十”字形位于柵條狀中間，周圍的外框區間為70 μm、十字區間的線條為70 μm、壓焊點線寬為80 μm×80 μm，但這些相對于2 μm線條來說相對太大，大約為35倍左右，根據響應時間與線條寬度的平方成正比，為了加快響應時間，我們需要把外框和十字區間的線寬變細，（因為壓焊工藝的限制，壓焊點的面積是不能改變的）。但如果十字區間的線寬太細的話，比較容易斷裂，無法為其余的細線條起支撐的作用，另一方面如果外框的線條寬度太細，也會影響到整個器件的導通性，根據以上問題的分析比較，外框線條的寬度設計成12 μm。

圖1　柵條狀“十”字形圖

在柵條狀“十”字形圖中，上電極圖形內每個柵條基本上是一個長寬高之比為500∶1∶1的長方體，由于寬度過窄，在工藝制作中容易出現問題，若光刻膠保護處理不好，會出現上電極整個嚴重腐蝕，造成上電極圖形全被“揭掉”；如果刻蝕的時間過長會造成線條斷裂和上電極圖形破壞現象；若刻蝕的時間過短會出現刻蝕不透問題。這些對工藝制備造成很大困難。最后經分析設計了新型的結構。將圖1中柵條的長寬高比適當進行縮小，條柵形機構圖（如圖2）和格柵形結構圖（如圖3）。為了避免在腐蝕上電極過程的側向腐蝕造成的柵條變細或者斷裂的問題，設計的線條寬度為3 μm，線條間的間距為2 μm。因為在腐蝕過程中側向腐蝕是無法避免的，所以腐蝕出來的線條間距和寬度基本上還是相等的。

圖2　柵型上電極結構設計

圖3　格柵形上電極結構

2　濕度測量電路

2.1微小電容測量電路

電容型傳感器性能［4］很大程度上還取決于其測量電路的性能，目前對電容微小變化測量技術正處于不斷的完善中。根據電容測量與處理方法［5］大致可分為：振蕩法、諧振法、直流充放電法、交流法。振蕩法測量精度高，可達到0.01 pF，測量頻率范圍寬，靈敏度高，穩定性好，受雜散電容影響較小［6］，但此方法需要一個低溫漂移、高阻抗的運算放大器。諧振法是一種手工測量方法，動態特性差，難于實現動態測量，不適合連續測量可變電容值，且其精度不高。直流充放電法采用的是直流放大，存在較大的漂移，且充放電是由CMOS開關控制，存在電荷注入問題。交流法測量范圍0.1 pF～1.0 pF，可以有效地抑制電路的直流漂移，具有很強的抗雜散電容能力，在很多的精密儀器設計中都有廣泛的應用［7］。

微小電容測量電路的難點在于雜散電容的影響以及電磁干擾［8］，改進后的電路設計如圖4所示，在待測電容兩端并聯一個電容，組成一組差動電容結構，有效地降低共模信號干擾影響，其次，電路使用遲滯比較器，可有效的防止信號毛刺而引起的電路誤操作。

圖4　微小電容測量電路圖

電容C1和待測電容Cf分別通過二極管D1、D2回路連接到積分器A1，在實際電路中R1=R2=R3，運放A2表面上是一個比例系數為-1的加法器，由于D1和D2不可能同時導通，A2實際上是一個反向電壓跟隨器。運放A3在這里作為比較器使用。電壓輸出波形如圖5所示。

圖5　工作狀態波形圖

根據波形圖改進后的測量電路可以劃分成4個工作狀態，T1、T2、T3、T4。當電路開始啟動時，假設U5的起始電壓為+Uz，D1導通，D2關閉，待測電容Cf處于充電狀態。使得U1的電壓按Rf和Cf積分程線性下降，直到變為-Uom，負電平信號使得比較器A3輸出電壓由正變為負，輸出-Uz，待測電容Cf處于放電狀態（T1工作狀態）。使得U1的電壓按Rf和Cf積分程線性上升，直至U1的電壓上升至0 V，D1關閉，D2導通，差比電容C1開始放電，（T2工作狀態）。使得U1的電壓按Rf和C1積分程線性上升，直至U1的電壓上升到+Uom，正電平信號使得比較器A3輸出電壓由負變為正，輸出+Uz，差比電容C1處于充電狀態，（T3工作狀態）。使得U1的電壓按Rf和C1積分呈線性下降，直至U1的電壓下降到0 V，D1導通，D2關閉，（T4工作狀態）待測電容Cf處于充電狀態，如此反復工作。

圖6　電壓調節輸出波形

假設K為A3后端電阻間的分壓比，則KU4、U5、U6輸出波形如圖6所示。在T1時間內，待測電容Cf保持充電，充電電流為 （UZ-Uoff1）/Rf，U3電壓由 （KUz-Uoff4）上升至（Uz-Uoff3）。根據歐姆定律：

則：

在T2時間內，差比電容C1放電，釋放電流為（UZ+Uoff1）/Rf，U3電壓由 （-KUz-Uoff4）下降至（-Uz-Uoff3）。根據歐姆定律：

則：

由式（5）和式（7）可得到電容和時間周期的關系式：

其中：

式（9）中，ε為誤差源，第1項為電阻不匹配而產生的誤差，第2項為運放失調產生的誤差。根據電阻和供電電壓選擇，將電阻和失調電壓產生的誤差控制在極小的范圍內，可以忽略不計。T1和T2時間周期不能直接從電路輸出端獲得，需要設計時間提取電路。

2.2時間周期提取電路

根據圖6波形所示，T1為U5和U6同為高電平持續的時間，T2為U5和U6同為低電平持續的時間。只要U5和U6同電平信號，則持續時間就會是T1或T2，因此可以使用同或邏輯對U5和U6進行處理。電路設計如圖7所示，信號輸出如表1。

圖7　時間提取電路

表1　信號輸出

根據表1可以看出，當U6為低電平時，Hs信號輸出的高電平脈沖時間為T2。當U6為高時，Hs信號輸出的高電平脈沖時間為T1。標志信號Flag和U6信號同步。獲得Hs和Flag信號后，需要對信號進行計時，系統將使用STM32系列的STM32F103VC進行處理。示波器檢測波形如圖8所示。

圖8　波形輸出

2.3變送器輸出電路

利用MAX538進行D/A轉換輸出。MAX538由時鐘、數據和片選3線制組成串行數據接口。通過對寫入的兩個byte進行編程轉換，先將4個無效位加高位字節寫入寄存器MSB，接著再將低位字節寫入寄存器LSB。當片選信號CS為低時，通過時鐘上升沿將數據寫入16位移位寄存器。當片選信號CS變高時，移位寄存器的低12位被傳送到數模轉換寄存器中，輸出轉換電壓。電路如圖9所示。

圖9　D/A轉換電路

將MAX538輸出的電壓經V/I變換器AD694轉換而成。AD694是一種V/I的轉換器，可以將0～2 V的電壓信號轉換成4 mA～20 mA的電流信號如圖10所示。

圖10　V/I轉換電路

3　實驗結果分析

將設計好的濕度測量系統開啟，測量一天中空氣濕度值。上位機每隔1 h發送測量指令，測量電路將測量完成的數據發送到上位機，記錄數據，計算偏差，動態波形顯示如圖11所示。同時選擇美國Omega高精度RHCL-2溫濕度校準器（相對濕度精度：±0.5%RH）與系統測量數據進行校準。從6：00-18：00的測量結果和理論值如表2所示。

圖11　上位機波形輸出

表2　測量結果

從表2可以看出濕度測量系統的分辨率為0.1，測量誤差在±0.3%H內，比傳統的測量系統更具有使用價值。

4　結束語

本文分別從濕度傳感器結構設計和電路設計兩個方面進行優化設計。并通過實驗驗證了改進后的濕度傳感器性能更佳。

［1］ 陳翠萍，蔣波，謝光忠，等.高分子濕度傳感器的研制［J］.儀表技術與傳感器，2005（10）：5-8.

［2］ 張彤，孫良彥，徐寶琨，等.濕敏共聚物的制備及其敏感元件的電特性研究［J］.儀表技術與傳感器，2000（8）：13-15.

［3］ 謝瓊，楊文，常愛民.具有SiO2絕緣層的硅基聚酰亞胺電容式濕度傳感器的特性研究［J］.電子元件與材料，2003（6）：9-13.

［4］ 鄭麗，金建東，盧崇考.電容式高分子濕敏材料功能設計［J］.微納電子技術，2007，7（8）：70-71.

［5］ 蔣志勇，陳勝權，祝軍生.高精度微波濕度測量儀［J］.儀表技術與傳感器，2007（9）：22-25.

［6］ 龔中良，李曜.基于光電傳感器的脈搏信號采集電路優化設計［J］.電子器件，2014，37（4）：13-15.

［7］ 王陽，徐加歡，陳軍寧.集成微電容式傳感器檢測電路設計與研究［J］.電子器件，2013，36（3）：30-31.

［8］ 張華，鄭賓，武曉棟.基于LabVIEW的溫度測試系統［J］.電子器件，2013，36（2）：14-18.

湯辰（1988-），男，江蘇揚州人，碩士研究生，主要研究方向為分析儀器設計；

萬衡（1963-），男，上海人，教授，主要研究方向為分析儀器設計，嵌入式系統等，13681872133@163.com。

Research on High Polymer Capacitive Humidity Sensor

TANG Chen，WAN Heng*，WANG Kaikai
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

With the rapid development of industry，the temperature sensing and controling are increasingly stringent.Temperature sensors are hard to keep up with people's needs.This article through the micropore surface structure optimization design of the humidity sensor and the humidity sensitive material improves the humidity sensing properties.The measurement of humidity sensor circuit optimization is improved，and finally verified by experiments measuring the effect of humidity sensor improved superior.

high polymer；humidity sensitive capacitor；moisture measurement；humidity sensor

TP253

A

1005-9490（2016）03-0571-05

EEACC：7230；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.014