MEMS IC 技術的進步已將復雜的濕度測量技術轉變為簡單、低成本的傳感器。這些傳感器可能無法滿足所有應用；然而，它們在相對干凈的擴展環境條件下工作良好。天氣監測和空調可能是顯而易見的選擇，盡管其他選擇包括用于食品儲存、倉儲和印刷的濕度控制。此外，化學和制藥等工業過程在受控濕度下進行，電子組裝需要避免低濕度以防止靜電放電損壞。

在本文中，我們將介紹使用電容感應進行濕度測量的一些基礎知識、典型類型的 MEMS 濕度傳感器、它們的性能、應用和其他注意事項。

電容式濕度傳感器測量基礎

濕度是通過使用對濕度敏感的電介質的電容來感測的。圖 1 說明了電容式濕度傳感器的構造基礎。

圖 1.電容式濕度傳感器的基本結構。圖片由 XY 提供

在創建電容式濕度傳感器時，首先將電極沉積在基板上，通常是硅。接下來，沉積一層薄的濕度敏感介電層（通常是聚合物），并在頂部添加第二個透濕電極。，傳感器覆蓋有一層可滲透層，以保護其免受污染和冷凝。MEMS IC 傳感器包括將電容測量值轉換為數字或模擬輸出所需的電路，并使用 IC 方法制造。

水分子高度極化（介電常數約為 80），比聚合物高得多。當電介質吸收水蒸氣時，其介電常數增加，從而增加電容。在較低的濕度下，電介質會放出一些水，電容會回落。這種變化幾乎與 RH（相對濕度）呈線性關系，并且僅受溫度的輕微影響。在正常應用中長期穩定性應該很好。

另一個屬性是電容小。非 MEMS 傳感器（僅電容，無電子設備）通常指定 200 pF 或更低，并且從 0 到 100% RH 的變化小于 20%。幾英寸長的連接線或電纜會導致明顯的誤差，測量電路的電容也會產生這種情況。但是，對于 MEMS 傳感器，測量電路是內置的，并且校準基于總電容。

MEMS 濕度傳感器概述

圖 2 顯示了兩個示例 MEMS 傳感器。

圖 2.典型的 MEMS IC 濕度傳感器示例（左），也可提供保護蓋（右）。圖片 ［已修改］ 使用由TI提供

這些傳感器通常看起來像標準的表面貼裝 IC，但有一個用于傳感器的開口。圖 2（左）顯示了開口，而圖 2（右）添加了一個可選的保護過濾器蓋。通常，這些傳感器的尺寸為 2 或 3 平方毫米，成本僅為幾美元。

深入研究，圖 3 顯示了一個示例功能圖，其中包括溫度測量。

圖 3. 示例 MEMS IC 濕度傳感器測量系統框圖。圖片由TI 和貿澤提供

如果您需要計算露點（我們將在下一節中介紹這個概念），溫度會特別有用，這需要 RH 和溫度。大多數 IC 還在內部使用它來補償濕度傳感器的溫度系數。請務必注意，大多數基于電容的傳感器測量的是 RH，而不是露點。

初始校準數據以數字方式存儲，因此，如上所述，附加電容等誤差會被校準掉。除溫度補償外，該程序還可以校正傳感器的非線性。幾乎所有傳感器都使用I2C（內部集成電路）串行通信，通常與SPI（串行外設接口）總線兼容，有些甚至具有模擬輸出，我們稍后會介紹。

露點與相對濕度

露點測量的是濕度，而不是相對濕度。這意味著 RH 隨溫度變化，但濕度不隨溫度變化。從一種轉換為另一種需要溫度并使用復雜的方程式。您可以搜索“計算露點”以查找在線計算器，例如此處的示例。下面的圖 4 顯示了露點與空氣溫度的轉換圖。

圖 4. RH 露點轉換圖。圖片由 Easchiff 通過 Wikipedia Commons CC BY-SA 4.0提供

作為近似值，+3% 的 RH 精度轉換為大約 +0.6 °C （1.1 °F） 的露點精度。

典型的濕度傳感器性能、特性和功能

下面，讓我們概述一下通用 MEMS 濕度傳感器的一些基本性能指標。

濕度測量精度： 對于 20% 和 80% 之間的濕度，這些精度通常在 ±02% 和 ±5% RH 之間運行。傳感器的工作范圍為 0% 到 100%（非冷凝），但精度較低。仔細閱讀規格：有些指定典型精度，而不是精度。溫度精度通常優于 ±1 °C。

溫度范圍： 大多數至少在 -25 °C 至 +85 °C 范圍內工作，有些更寬。不過，有時 RH 精度聲明并未涵蓋整個溫度范圍，尤其是極低或極高的溫度范圍。一些規格表對此并不清楚。

校準： 這些傳感器校準會隨著時間緩慢變化。在正常使用情況下，典型規格為每年 ±0.5% RH。在高濕度下延長時間可以加速這種性能轉變。污染物也會引起問題。一些傳感器包括一個加熱器，可以激活它來進行漂移校正。

響應時間： 此類傳感器的響應時間通常在很大程度上取決于氣流。典型規格是 63% 的響應在 5 到 10 秒內，氣流為每秒 1 米。帶有保護過濾器蓋的傳感器會慢得多，并且可能沒有指定響應時間。這僅對快速變化的濕度很重要，例如使用噴水或蒸汽來增加濕度的控制系統。

挑戰： 冷凝水或濕水是一個問題，但在清潔應用（無污染物或化學品）中，傳感器終應該會恢復。幾個傳感器指定冷凝后 5 或 10 秒的恢復時間。在嚴重的情況下，如果您的傳感器有漂移校正加熱器，則可以使用它。

請注意，我沒有找到關于液態水的規格。應適當屏蔽傳感器，這會減慢其響應速度。當然，無論如何電路板都不應該弄濕。

模擬輸出： 在研究本文時，我發現只有兩家制造商在 MEMS IC 傳感器上提供模擬輸出，Sensirion 和 TE Sensors （Measurement Specialties）。兩者內部都是數字的，如圖 3 所示，但添加了數模轉換以提供模擬 RH 和溫度輸出。有一些較舊的純模擬傳感器，但它們不包括存儲校準、線性化或溫度補償。

電容式 MEMS 濕度傳感器應用

電容式 MEMS 濕度傳感器可以服務于工業和倉儲應用，而不僅僅是天氣和空調。就個人經歷來說，我曾經參與過一個項目，用MEMS傳感器來控制大型工控柜的溫濕度。另一個例子是國家氣象局 （NWS） 如何將 ［PDF］從復雜的、維護密集型冷鏡露點測量轉換為用于機場自動化氣象站的定制修改電容傳感器。

如前所述，這些類型的傳感器常用的應用是空調，從廣義上講，它可以包括：

印刷過程中的濕度控制（為了獲得的油墨附著力）和紙張儲存過程中的濕度控制（為了防止卷曲、起皺和尺寸變化）。

食物儲存，尤其是水果和蔬菜。濕度控制還可以減少肉和魚中的細菌生長。

制藥等制造業。

靜電控制，以避免潛在的破壞性或爆炸性放電。在電子組裝中，放電會損壞或毀壞集成電路。

木工和塑料注射成型可以通過濕度控制得到改善。

濕度傳感器注意事項和提示

電路板組件是濕度傳感器需要考慮的主要預防措施。一些提示是：

切勿清潔帶有開路傳感器的電路板。

使用免清洗焊料和助焊劑。

即使您的傳感器有過濾器保護蓋，也要小心！遵循制造商的建議。

不要讓保形涂層接觸到傳感器。

避免揮發性溶劑和有機化學品。除氣會擾亂校準，有時是不可逆轉的。

避免酸、堿、H 2 O 2和高臭氧濃度。

不要將空氣直接吹向傳感器，尤其是可能含有油的壓縮空氣。換句話說，保持清潔！