小型数位湿度感测器IC延长电池寿命并降低设计复杂度.PDFVIP

Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 1 小型數位濕度感測器 IC延長電池壽命 並降低設計複雜度 傳統的濕度測量採用大尺寸離散式電路，或者耗電量達 4-20mA的笨重濕度感測模組，然 而伴隨著「物聯網」的興起，傳統技術已無法滿足更小、更輕以及更低功耗的設計需求。 小型數位濕度感測器單晶片為滿足眾多應用需求而提供更合適的解決方案，這些應用包括 可攜式氣象站、霧化器、用於貨物和資產運輸的資料記錄儀、智慧型電話/功能型電話配 件以及遠端環境感應節點等。 為了更好的瞭解使用數位濕度感測器帶來的好處，我們將討論以下主題： • 傳統相對濕度（RH）離散式感測器與數位相對濕度單晶片感測器對比。 • Silicon Labs Si7005數位相對濕度感測器在 RH和溫度測量時平均功耗的計算。 • 為可攜式濕度感測器系統選擇最佳電池。 背景 濕度是對空氣或其他氣體中水分含量的測量。有幾種方法用來表示濕度量度： • 絕對濕度（用 gm-3表示）。 • 絕對水汽壓（衡量空氣中實際水分含量的測量，用 kPa表示）。 • 飽和水汽壓（在特定溫度下，空氣中含有的水蒸氣所產生的最大壓力）。 如果水分含量超過飽和水汽壓，會產生冷凝，並且水分含量被降低到飽和水汽壓。露點 （當氣體冷卻時，冷凝液或霧氣開始形成時的溫度）也用來衡量空氣中絕對水分含量。 相對濕度可以透過很多技術來測量，從彈簧支撐結構的簡單機械指示器到複雜且昂貴的分 析儀器，例如冷鏡面光學濕度計。一般來說，無論是相對濕度、露點、絕對濕度或等效的 濕球溫度，測量濕度都不是一件容易的事情。 Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 2 來自英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory）的研究顯示，實際測量濕度是十 分困難的，因為不確定的環境因素，最小的測量誤差為±3％。由於 RH極依賴於溫度，因 此我們要知道空氣的精確溫度，以便確定相對濕度。僅 0.2℃的溫度變化就會導致 1%的 RH誤差。 離散式電阻和電容相對濕度感測器已使用數年，其填補了機械和光學 RH感應之間的測量 空白。他們與離散式溫度感測器組合使用，例如熱敏電阻和電阻溫度檢測器（RTD），共 同測量 RH和露點。 電阻式感測器使用高分子聚合物薄膜，其依據吸收水分量而改變導電特性。 電容式相對濕度感測器利用電容器基板之間的高分子聚合物電介質，並透過檢測由滲透到 高分子聚合物電介質層的水氣所引起的電介質常數（Er）和電容的變化來測量 RH。當 RH從 0變化到 100%時，電介質常數 Er通常從 3.0變化到 4.0。圖 1顯示了典型的離散式 元件感測器原理圖。 圖 1. 典型的離散式元件組成的相對濕度和溫度感測器 離散式方案比機械式系統方案體積更小、更容易校準，但是他們需要很多輔助元件來實現 線性化、校準和轉換 RH值。這種方法需要額外的電路板空間、更高的功率，並且在給客 戶發貨之前每個元件單元都需要經過生產線校準，耗費人力；而且，離散式感測器不適合 大批量的回焊；此外，離散式感測器在溫度範圍和使用週期中還存在精度差、變化率高、 顯著的滯後作用和嚴重的感應漂移等問題。以上因素都增加了生產測試和校準的複雜度， 而且意味著在最終應用的產品生命週期中需要週期性的校準。 Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 3 數位相對濕度單晶片感測器 新興的感測解決方案把相對濕度和溫度感測器直接整合到單晶片 CMOS IC 中，並具有數 位 I2C介面。因為兩個感測器在同一晶粒上位置靠近，所以在相同溫度下 RH讀數總是比 離散式方案的讀數更精確。 單晶片感測器解決方案的一個典型例子是 Silicon Labs Si7005 數位相對濕度和溫度感測 器。Si7005 感測器由晶粒表面上的高分子聚合物薄膜測量濕度，透過晶片整合的二極體 的帶隙電路測量溫度。唯一所需的外部元件是一對旁路電容。每一個 Si7005 相對濕度感 測器都經過工廠校準，因此無需客戶校準。該感測器採用工業標準的 4mm x 4mm QFN封 裝，並具有小型開口用於裸露水氣感應高分子聚合物薄膜。另外還可以選購具有薄型保護 蓋的版本。保護感測器在安裝週期以及整個終端產品壽命週期中，避免由助焊劑、粉塵、 化學物質及其他污染物所帶來的侵害，同時也增加了回焊過程中的保護。表 1匯總單晶片 解決方案（例如 Si7005 濕度感測器）與離散式解決方案的特性對比，展示出單晶片解決 方案的優勢。 透過以下方式獲得電容到 RH的轉換和對 RF精度的微調： •