集成传感器（04） 清华大学
1. 湿度传感器
湿度传感器：用来检测空气中水蒸气含量的传感器。
【毛发湿度计】十七世纪达芬奇(Leonard da vinci)利用羊毛活人的头发制成。相对湿度从 0% ~ 100%，人的头发长度可以增加大约 2.5%。
【干湿球湿度计】十八世纪制成，利用水分蒸发吸收热量的原理。
【电子式湿度计】1938年，顿蒙(Dunmon)研制出电解质$LiCl$温度计。
2. 湿度的定义与检测方法
湿度指空气中水蒸气的含量。表示方法很多，常用的有：绝对湿度、相对湿度和露点等。
【绝对湿度】表示单位体积的空气里所含的水气的质量。
\[\rho=\frac{m_v}{V}\]$\rho$：被测空气的绝对湿度，单位为 $g/m^3$；$m_v$被测空气中水汽的质量，单位为 $g$；$V$为被测空气的体积，单位为 $m^3$。
【相对湿度】在某一温度下，其水蒸气压和饱和蒸气压的百分比，表示式为：
\[RH=\frac{\rho}{\rho_{max}}\times 100\%\]相对湿度一般用 $\%RH$表示；$\rho_{max}$指同一温度下的最高绝对湿度。
【露点温度】空气中饱和水蒸气压是随着空气温度的下降而逐渐减小的。当空气的温度下降到某一温度时，空气的水汽分压将与同温下空气的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水汽就可能转化为液相而凝结成露珠。这一特定温度，称为空气的露点或露点温度。
对于任意一个条件下的湿度值，当我们把空气温度逐渐下降时，总会遇到一个温度，使得在这个温度上空气中的湿度为最大湿度，这个时候对应的温度我们就称为这个湿度的露点或者露点温度。假如说绝对湿度非常的小，相对应的温度低于零度以后，我们又称这个温度为霜点。对于任何一个湿度而言，都会对应一个露点或者霜点，因此我们可以用露点或者霜点来表征湿度。
【湿度传感器的基本原理】是基于功能材料发生与湿度有关的物理效应、或化学反应的基础上制造的，具有可将湿度物理量转换成电信号的功能。这些功能可以通过与湿度有关的电阻或电容的变化、长度或体积的胀缩、以及某些电参数的变化来实现。
常用的吸湿材料：
1）氯化锂湿敏电阻：利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测试元件。
- 优点：响应快，不受环境风速影响
- 缺点：耐热性差，重复性差，寿命短
2）多孔 $Al_2O_3$湿敏传感器：多孔 $Al_2O_3$薄膜的气孔中有一定的水蒸气吸附时，其电特性可以看作是一个电阻和一个电容的并联。
3）聚酰亚胺(PI)硅集成湿度传感器：广泛应用于半导体工艺中，作为钝化层或者平坦化处理，与CMOS工艺完全兼容，易于实现批量话制造以及传感器的微型化和智能化。它的制备工艺已经非常成熟，各种条件西的机电特性也已经被深入研究。目前，作为一种常用的传感器基体材料，尤其是对于柔性传感器，受到广泛重视。
PI是一种弱亲水材料，只能吸收自身重量的$3\%$的水分，但是由于谁的相对介电常数（约80）和PI（约3）相差很多，即使是如此少量的水也能使其介电常数升高$30\%$。
3. 多种原理的集成湿度传感器
3.1 硅电容型湿度传感器
根据不同的感湿介质，硅电容型湿度传感器主要有多孔硅、多孔氧化铝、聚酰亚胺等。
下图是利用多孔碳化硅材料制作的电容型湿敏传感器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中（圆圈的点构成的曲线），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。
可滞回大的原因：可能是上表面涂满了多孔金，对敏感膜的脱湿影响比较大。所以，用叉指电极结构，使敏感膜充分与被测空气接触。
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。
- 工艺流程：先CMOS工艺，后PI旋涂；
- 敏感单元电极：CMOS工艺中的两层金属铝。
3.2 压阻型湿度传感器
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。
【悬臂梁型湿度传感器】
3.3 热电偶型湿度传感器
这种湿度传感器与传统的干湿球湿度传感器原理也是类似的。
热电偶传感器有两端，一段我们称之为冷端，另一端称之为热端，热电偶的输出电压与冷热两端的温度差成正比。当我们用热电偶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如下：
下图为热电偶传感器的测试结果。我们可以看出，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，线性度还是比较好的。
3.4 晶体管湿度传感器
- 敏感材料作为FET的沟道材料，吸湿以后，并五苯材料空穴迁移率发生变化（空穴导电），导致器件的转移特性发生变化。
- 湿度越大，漏极饱和电流越大，因为吸收更多的水分子使沟道内的载流子数量提高。下图为在不同的适度环境下体现的漏极饱和电流的一个变化曲线。
- 湿敏材料作为栅介质材料。吸湿后，栅介质介电常数发生变化，即器件的阈值电压和阈值电流均发生变化。栅极为多孔金。
3.5 结露传感器
结露传感器(Dew sensor)，主要用于结露状态测量。
结露是一种普遍产生的自然现象，检测和控制结露是非常有必要的。
结露传感器主要由一个电阻式的感湿膜组成。这种感湿膜中掺入了导电的微粒，从而提高了它的导电特性，能够形成一个电阻元件。下图为揭露传感器的输出特性曲线。
从上图可以看出，温度越高，器件的响应速度会越快，也就是响应时间会越短。
由于环境的相对湿度与其温度息息相关，同时吸湿材料对水分子的吸附作用也与温度有密切关系。所以说对温度的补偿或者检测，对于湿度传感器而言，是非常重要的，尤其对于高精度的湿度检测。因此，在很多湿度传感器中，我们都可以看到有温度的敏感器件或者说有温度的补偿器件。下面有两个例子：
