小型數(shù)字濕度傳感器IC，延長電池壽命并降低設(shè)計復(fù)雜度
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小型數(shù)字濕度傳感器單芯片為滿足眾多應(yīng)用需求而提供更合適的解決方案，這些應(yīng)用包括便攜式氣象站、霧化器、用于貨物和資產(chǎn)運輸?shù)臄?shù)據(jù)記錄儀、智能電話/功能型電話配件以及遠(yuǎn)程環(huán)境感應(yīng)節(jié)點等。
為了更好的理解使用數(shù)字濕度傳感器帶來的益處，我們將討論以下主題：
?傳統(tǒng)相對濕度（RH）分立傳感器與數(shù)字相對濕度單芯片傳感器對比。
?Silicon Labs Si7005數(shù)字相對濕度傳感器在RH和溫度測量時平均功耗的計算。
?為便攜式濕度傳感器系統(tǒng)選擇最佳電池。
背景
濕度測量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（在給定溫度下，空氣中含有的水蒸氣所產(chǎn)生的最大壓力）。
如果水分含量超過飽和水汽壓，會產(chǎn)生冷凝，并且水分含量被降低到飽和水汽壓。露點（當(dāng)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。可以通過很多技術(shù)來測量相對濕度，從彈簧支撐結(jié)構(gòu)的簡單機械指示桿到復(fù)雜且昂貴的分析儀器，例如冷鏡面光學(xué)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。
來自英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory）的研究表明，實際測量濕度是十分困難的，因為不確定的環(huán)境因素，最小的測量誤差為±3％。由于RH極依賴于溫度，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(dǎo)致1%的RH誤差。
分立式電阻和電容相對濕度傳感器已使用數(shù)年，其填補了機械和光學(xué)RH感應(yīng)之間的測量空白。他們與分立式溫度傳感器組合使用，例如熱敏電阻和電阻溫度檢測器（RTD），共同測量RH和露點。電阻式傳感器使用高分子聚合物薄膜，其依據(jù)吸收水分量而改變導(dǎo)電特性。電容式相對濕度傳感器利用電容器基板之間的高分子聚合物電介質(zhì)，并通過檢測由滲透到高分子聚合物電介質(zhì)層的水氣所引起的電介質(zhì)常數(shù)（Er）和電容的變化來測量RH。當(dāng)RH從0變化到100%時，電介質(zhì)常數(shù)Er通常從3.0變化到4.0。圖1顯示了典型的分立器件傳感器原理圖。
圖1.典型的分立器件組成的相對濕度和溫度傳感器
分立式方案比機械式系統(tǒng)方案體積更小、更容易校準(zhǔn)，但是他們需要很多輔助器件來實現(xiàn)線性化、校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換RH值。這種方法需要額外的電路板空間、更高的功率，并且在給客戶發(fā)貨之前每個器件單元都需要經(jīng)過生產(chǎn)線校準(zhǔn)，耗費人力；而且，分立式傳感器不適合大批量的回流焊接；此外，分立式傳感器在溫度范圍和使用周期中還存在精度差、變化率高、顯著的滯后作用和嚴(yán)重的感應(yīng)漂移等問題。以上因素都增加了生產(chǎn)測試和校準(zhǔn)的復(fù)雜度，而且意味著在最終應(yīng)用的產(chǎn)品生命周期中需要周期性的校準(zhǔn)。
數(shù)字相對濕度單芯片傳感器
新興的傳感解決方案把相對濕度和溫度傳感器直接集成到單芯片CMOSIC中，并具有數(shù)字I2C接口。因為兩個傳感器在同一晶圓上位置靠近，所以在相同溫度下RH讀數(shù)總是比分立式方案的讀數(shù)更精確。單芯片傳感器解決方案的一個典型例子是Silicon Labs Si7005數(shù)字相對濕度和溫度傳感器。Si7005傳感器通過晶圓表面上的高分子聚合物薄膜測量濕度，通過片上二極管的帶隙電路測量溫度。唯一所需的片外器件是一對旁路電容。每一個Si7005相對濕度傳感器都經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，因此無需客戶校準(zhǔn)。該傳感器采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4mm x 4mm QFN封裝，并具有小型開口用于裸露水氣感應(yīng)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。保護傳感器在安裝周期以及整個終端產(chǎn)品壽命周期中，避免由助焊劑、粉塵、化學(xué)物質(zhì)及其他污染物所帶來的侵害，同時也增加了回流焊接過程中的保護。表1匯總單芯片解決方案（例如Si7005濕度傳感器）與分立式解決方案的特性對比，展示出單芯片解決方案的優(yōu)勢。
表1.單芯片傳感器相對于傳統(tǒng)分立式設(shè)計的好處
通過以下方式獲得電容到RH的轉(zhuǎn)換和對RF精度的微調(diào)：
?所有器件均在兩個RH測試點進(jìn)行電容校準(zhǔn)。
?計算RH時實施片上增益和補償校準(zhǔn)。
做進(jìn)一步的非線性化和溫度補償可以達(dá)到±3％的RH精度。非線性化和溫度系數(shù)由Silicon Labs提供。
與傳統(tǒng)的分立式、混合式和MCM解決方案相比，Si7005硬件、軟件和固件的優(yōu)化提供了以下好處：
高集成度
測量出的濕度和溫度值由片上信號調(diào)節(jié)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。為了輸出電壓或頻率，無需片外信號調(diào)節(jié)或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。物料清單（BOM）僅包括兩個旁路電容器，而傳統(tǒng)分立式傳感器可能需要幾十個器件，以實現(xiàn)相同功能。與分立式傳感器、模塊或混合式/MCM相比，Si7005濕度傳感器具有更小的封裝面積和更輕的重量，所以可獲得更低的整體解決方案成本、更少的設(shè)計負(fù)擔(dān)、更小的體積和重量、更高的可靠性和更快的上市時間。
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