東華計(jì)量測(cè)試研究院 江西 南昌 330029

我國(guó)大氣探測(cè)科學(xué)水平主要是由高空氣象探測(cè)水平進(jìn)行衡量,在此過(guò)程中濕度探測(cè)是較為重要的環(huán)節(jié),因高空環(huán)境相對(duì)惡劣,并且濕度不穩(wěn)定,最低溫度在－90度,以此要求濕度傳感器應(yīng)當(dāng)具有耐低溫以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。電容式濕度傳感器在具備上述特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,制作成本也較低,所以是深入研究的一個(gè)方向。但是,電容式濕度傳感器由于在高濕環(huán)境中易出現(xiàn)結(jié)露,極易導(dǎo)致傳感器在使用的過(guò)程中出現(xiàn)失效情況。為此,需要對(duì)濕度傳感器結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)行優(yōu)化,以此達(dá)到較好的應(yīng)用效果。

1 濕度傳感器研制

當(dāng)空氣溫度較高的情況下,水蒸氣含量也相對(duì)較多,若空氣溫度相對(duì)較低,水蒸氣含量也較低,在此過(guò)程中即使水蒸氣較少也會(huì)形成一定結(jié)露。因此,當(dāng)濕度傳感器表面溫度不高于空氣溫度的情況下,物體表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)露,若不影響傳感器正常工作,把該表面溫度保持在恒溫,便可有效避免傳感器表面出現(xiàn)結(jié)露[1]。為此,研究一種蛇形加熱器的平板夾心電容式濕度傳感器,能夠在不同溫度中對(duì)加熱功率進(jìn)行有效控制,以此確保濕度傳感器表面溫度保持一定恒溫,能夠有效解決傳感器在高濕環(huán)境中出現(xiàn)結(jié)露情況。

1．1 濕度傳感器加熱器結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)仿真 因聚酰亞胺感濕特性會(huì)隨著溫度變化而改變,因此需要濕度傳感器在有較為均勻的表面溫度,并且加熱期間需要覆蓋感濕區(qū)域,以此能夠確保濕度傳感器測(cè)量期間的可靠性與穩(wěn)定性。需要進(jìn)行濕度傳感器熱傳導(dǎo)模型的構(gòu)建,在高空環(huán)境中傳感器熱量散失主要以熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)等方式。

1．2 工藝制備方法 濕度傳感器工藝制備方法步驟為:(1)基底制備。傳感器基底主要使用了離子水清洗傳感器基底;(2)絕緣層制備。在氧化基底表面生成較密的SiO2,將其作為第一層;(3)通過(guò)光刻工藝進(jìn)行蛇形加熱電極的有效制備;(4)通過(guò)射頻濺射方法進(jìn)行Al2O3的制備,并將其作為保護(hù)層;(5)采用氫氧化鉀溶液鏤空基底;(6)通過(guò)勻膠工藝進(jìn)行感濕層的有效制備;(7)通過(guò)蒸發(fā)鍍膜機(jī)設(shè)備進(jìn)行多孔上電極。

2 濕度傳感器電容測(cè)量方法

若高空濕度發(fā)生改變,會(huì)使?jié)穸葌鞲衅髦械碾娙葜狄矔?huì)隨之產(chǎn)生變化,在此過(guò)程若能夠精確得到濕度傳感器電容值變化情況,便可得到高空環(huán)境濕度變化趨勢(shì)。在一些情況下,電容式濕度傳感器可以作為純電容,但是在不同溫度與濕度環(huán)境中,電容會(huì)出現(xiàn)不同程度的損耗,不能將其忽略。所以,在對(duì)濕度傳感器損耗與電感效應(yīng)進(jìn)行分析的過(guò)程中,不能將濕度傳感器作為純電容。

圖1 濕度傳感器的等效電路圖

其中Rs是電路板引線與極板間引線,與工作頻率成正比關(guān)系,由于Rs值一般較小,只有當(dāng)工作頻率較高的情況下才能對(duì)該值測(cè)量結(jié)果進(jìn)行有效的考慮;L是濕度傳感器電感與外部引線的等效電感,與結(jié)構(gòu)形式有較大關(guān)系,其中外部引線等效電感與引線長(zhǎng)度有一定關(guān)系;Rp是并聯(lián)損耗電阻,包括漏電損耗與介質(zhì)損耗[2]。

由于第一項(xiàng)會(huì)隨著諧振頻率升高而降低,第二項(xiàng)隨著諧振頻率升高而增加,因此可通過(guò)上式得出fb,公式如下:

那么濕度傳感器有效電容Ce可得的如下等式:

有上式表明,濕度傳感器電感與外部引線的等效電感會(huì)對(duì)電容值造成影響,但是濕度傳感器與地間寄生電容、引線寄生電容在低溫下的變化與溫度有關(guān)。

3 地面試驗(yàn)與結(jié)果討論

3．1 常溫特性測(cè)試 在進(jìn)行常溫特性測(cè)試的過(guò)程中,主要使用了雙壓法濕度發(fā)生器進(jìn)行濕度測(cè)量靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。濕度傳感器能夠在可在0%RH－100%RH環(huán)境中工作,在此基礎(chǔ)上根據(jù)試點(diǎn)選取原則與空間大小選取原則,選擇了不同測(cè)試點(diǎn),分別有10%RH、30%RH、50%RH、70%RH、90%RH,環(huán)境溫度保持在＋30度,并且在不同溫度點(diǎn)穩(wěn)定20 min,同時(shí)在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3．2 溫度交變特性測(cè)試 濕度傳感器在不加熱的情況下,分別在不同溫度中實(shí)施靜態(tài)實(shí)驗(yàn),比如－10度、0度、＋10度、20度,在此過(guò)程中需要對(duì)傳感器加熱功率進(jìn)行有效控制,以此使傳感器表面溫度保持一定范圍之內(nèi),從而能夠使?jié)穸葌鞲衅骶哂休^好的測(cè)量特性,能夠消除濕度傳感器表面出現(xiàn)結(jié)露。此外,從測(cè)試結(jié)果能夠看出,濕度傳感器在低溫環(huán)境中,需要對(duì)傳感器進(jìn)行加熱,使表面溫度不低于環(huán)境溫度,以此能夠有效改善測(cè)量特性。

3．3 時(shí)間常數(shù)測(cè)試 首先制作密封艙放置于濕度發(fā)生器中,并引出傳感器信號(hào),通過(guò)將密封蓋與密封艙連接的氣缸實(shí)施有效控制,能夠是密封艙進(jìn)行有效開關(guān)。發(fā)生器溫度設(shè)定為＋30度,密封艙蓋發(fā)生器濕度設(shè)定為30%,待濕度穩(wěn)定后將密封艙關(guān)閉。若在某種時(shí)刻濕度傳感器濕度值確定,那么該時(shí)刻便是濕度傳感器的時(shí)間常數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本文在對(duì)探空儀的加熱式濕度傳感器進(jìn)行研究的過(guò)程中,提出了一種蛇形加熱器平板夾心電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)與工藝制備方法,并且在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行了全面設(shè)計(jì),同時(shí)還進(jìn)行了地面特性實(shí)驗(yàn),由實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:濕度傳感器靈敏度為2．3%RH·pF－1,重復(fù)性約為1．9%。此外,在對(duì)傳感器進(jìn)行加熱的過(guò)程中,能夠使傳感器在低溫的狀態(tài)下確保測(cè)量的穩(wěn)定性,由此表明此種驗(yàn)證方法具有較高的科學(xué)性與有效性。