电容式湿度传感器的优化

电容式湿度传感器一般为一个平板电容器结构,在一个绝缘基片上依次包括下电极、感湿薄膜、上电极。感湿薄膜一般是高分子聚合物,对湿度具有较高的敏感度,能够吸收环境中的水分子,并使其介电常数发生变化。由于平板电容器的电容量与介电常数成正比,因此元件电容量与相对湿度成比例,通过测试电容量的大小就能够求出环境中的相对湿度。

一种发展较为成熟的电容式湿度传感器是高分子电容式湿度传感器。高分子电容式湿度传感器的失效模式主要有开路、短路、参数退化和机械损伤等。空气填充的电容器可以用作相对湿度传感器,因为空气的介电常数K 会根据大气中的水分发生变化。

其中,T 是以开尔文为单位的绝对温度,pw是湿空气的压力(k Pa),ps是在温度T 下饱和水蒸气的压力(k Pa)。空气电容器作为湿度传感器,有着线性度好的优点,但灵敏度较低。

通常吸湿性高的材料一般是有强极性的高分子介质及其盐类,薄膜覆盖在叉指形金电极上,而后在感湿薄膜表面上蒸镀一层多孔金属膜,此结构即可构成一个平行板电容器。当环境中的水分子沿上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时,高分子胶膜的介电常数发生变化,通过检测传感器输出电信号的变化可以得出待测湿度。图4.5(a)是高分子电容式湿度传感器的结构图;图4.4(b)是高分子电容式湿度传感器的感湿特性曲线;图4.5(c)是高分子电容式湿度传感器的外形图。

这种传感器的湿敏层为可导电的高分子,它具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子膜时,在低湿下,因吸附量少,不能产生电离子,所以传感器的电阻值较高;当相对湿度增加时,吸附量增大,电阻减小。高分子介质吸水后电离,正负离子对主要起载流子作用,使高分子电容式湿度传感器的电阻下降。吸湿量不同,高分子介质的阻值也不同,根据阻值变化可测量相对湿度。当高分子介质吸湿后,元件的介电常数随环境相对湿度的变化而变化,从而引起电容量的变化。由于高分子膜可以做得很薄,所以元件能迅速吸湿和脱湿,故这种传感器有滞后小和响应速度快等特点。(www.xing528.com)

图4.5　高分子电容式湿度传感器

另一种电容式湿度传感器可以由吸湿性聚合物膜形成,吸湿性聚合物薄膜的两侧沉积有金属化电极。有一种电介质是由纤维素和亲水性聚合物薄膜(由二甲基对苯二甲酸酯制成,厚为8～12μm)组成的。通过真空淀积的方法将直径为8 mm 的金多孔盘电极沉积在聚合物上,用支架悬挂该薄膜,并将电极连接到该端子。这种介质的湿度传感器的电容与相对湿度近似成正比。

其中C0是相对湿度为0时的传感器电容。

电容式湿度传感器测量湿度是一个相当缓慢的过程,因为介电层吸收水分子需要时间。利用现代MEMS技术,通过缩小传感电容器的尺寸和增加介质材料的暴露面积,可以显著提高测量速度。当传统的电容式湿度传感器有一个多孔的上电极时,柱电容会形成裸露的聚酰亚胺,能够更快地吸收水分。柱直径仅为几微米,使得水蒸气向内扩散。由于水蒸气容易在传感器内部冷凝,冷凝后需要较长的恢复时间,在此期间传感器不能工作,所以传感器还增加了一个防止冷凝的加热元件,这种设计将传感器的响应速度提高了大约10倍。