丁書聰， 黃宜明， 王 曉， 梁峻閣， 顧曉峰

（江南大學(xué)電子工程系物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122）

1 引言

濕度傳感器是一種將環(huán)境濕度信息線性轉(zhuǎn)換成電學(xué)、光學(xué)、頻率等不同信號(hào)的器件，主要的研究集中在濕敏材料優(yōu)化和檢測(cè)電極設(shè)計(jì)兩個(gè)方面[1-3]。 此外，濕度傳感器的感濕性能與器件封裝和檢測(cè)電路配置也密切相關(guān)。 濕敏材料是影響傳感器檢測(cè)性能的核心因素，也是濕度傳感領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。 本文從濕敏薄膜的材料與結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，結(jié)合感濕機(jī)理分析了對(duì)傳感器靈敏度、遲滯、反應(yīng)時(shí)間等感濕參數(shù)的影響[4-7]。 在此基礎(chǔ)上，闡述了當(dāng)前濕度傳感器常用的封裝方案及檢測(cè)電路的構(gòu)成對(duì)濕度檢測(cè)特性的影響。

2 濕度傳感器感濕機(jī)理與分類

在濕度環(huán)境下，不同濕敏材料具有不同的電荷遷移[8]和介電擾動(dòng)[3]機(jī)理，濕度傳感器展現(xiàn)出的濕度敏感特性也截然不同，主要體現(xiàn)在靈敏度、濕度檢測(cè)范圍、遲滯、反應(yīng)速度等方面。 根據(jù)濕敏材料的種類，濕度傳感器可劃分為陶瓷類、聚合物類、電解質(zhì)類等形式，對(duì)濕敏材料微納結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)的調(diào)整可針對(duì)性地優(yōu)化傳感器的感濕特性。

2.1 濕敏材料的感濕機(jī)理

濕度傳感器的感濕機(jī)理主要包括離子型感濕和電子型感濕，前者在高濕度區(qū)間起主導(dǎo)作用，后者可輔助提升低濕度區(qū)間的感濕性能。 離子感濕機(jī)理又稱為Grotthuss 機(jī)理，以SnO2多孔薄膜為例，其感濕機(jī)理如圖1 所示。 在低濕環(huán)境下， 第一層水分子會(huì)吸附于氧空位上，并以雙氫鍵的形式與材料分子鍵合，這種化學(xué)吸附會(huì)形成不連續(xù)的水分子層，由于低濕階段的水分子解離十分微弱，電子在水分子與氧離子之間的遷移成為了導(dǎo)電率增加的主要原因[9]。 隨著環(huán)境濕度的增加，高濕下水分子會(huì)與化學(xué)吸附層形成單氫鍵實(shí)現(xiàn)物理吸附的過程， 該層的水分子可以自由移動(dòng)，Grotthuss 機(jī)理逐漸成為電荷導(dǎo)電的主要機(jī)制，其質(zhì)子傳輸過程為：H2O+H3O+→H3O++H2O[6]。

對(duì)于諸如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷等半導(dǎo)體濕敏材料而言，除離子型感濕以外，電子導(dǎo)電也參與了傳感器的感濕過程。 低濕環(huán)境下材料表面束縛的電荷因?yàn)閾诫s作用被釋放出來，此外還原出的氧離子和自由電子吸附在材料表面[7]，該過程中電子導(dǎo)電占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著濕度的繼續(xù)增加，外層水分子被材料表面的缺陷態(tài)吸附后產(chǎn)生解離作用，該階段離子類導(dǎo)電再次起主導(dǎo)作用。

圖1 SnO2 納米纖維感濕機(jī)理[5]

2.2 濕敏材料的分類

濕度傳感器按照轉(zhuǎn)換信號(hào)類型分類，主要有電學(xué)式[10-11]、光學(xué)式[12]、聲學(xué)式[13]、諧振式[14]等，其中電學(xué)式中的電容型和電阻型濕度傳感器具備成本低、 體積小、工藝靈活等優(yōu)勢(shì)，在濕度傳感器市場(chǎng)占據(jù)主要地位[15]。

電容型濕度傳感器主要由檢測(cè)電極和濕敏介質(zhì)組成，其中電極有雙層平板或單層指狀電容2 種類型[16]， 濕敏材料涂覆于平板電極間或叉指電極上以實(shí)現(xiàn)感濕（圖2）。 電容型濕度傳感器的感濕特性體現(xiàn)在電容值與濕度值的線性關(guān)系上，而電容值主要由不同濕度下材料的介電常數(shù)特性變化決定。 濕敏薄膜的介電常數(shù)εs隨濕度的變化可采用looyenga 半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)[17]：

其中v、εp、εH2O分別代表所吸附水蒸氣的體積占比、聚酰亞胺的介電常數(shù)以及水的介電常數(shù)。

圖2 常見電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)[18-19]

使用電容型傳感器進(jìn)行濕度檢測(cè)一般在固定頻率下，例如100 Hz、1000 Hz 等，因此其測(cè)得的電容值除了受到介電常數(shù)的影響外，也受到測(cè)試頻率的影響[20]：

其中γ、ω、ε0分別為電導(dǎo)率、角頻率和自由空間介電常數(shù)。 由式（2）可知，電容值與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，與頻率呈負(fù)相關(guān)。 高頻高濕環(huán)境下的聚合物介電材料會(huì)產(chǎn)生吸水膨脹效應(yīng)，該過程中離子導(dǎo)電使得漏電導(dǎo)上升[20]，削弱了濕敏電容響應(yīng)，因此選擇合適的測(cè)試頻率對(duì)電容型濕度傳感器檢測(cè)結(jié)果有著重要影響。 此外，敏感介質(zhì)和水分子的極化特性也會(huì)受工作頻率影響，進(jìn)而改變濕敏薄膜整體的復(fù)介電特性[16]。

電阻型濕度傳感器由濕敏電阻材料和導(dǎo)電電極組成，一般采用金屬半導(dǎo)體氧化物、鈣鈦礦陶瓷、納米有機(jī)纖維和石墨烯等作為感濕材料。 利用旋涂、 離子浸潤(rùn)、滴涂等方法將其置于電極表面或測(cè)試電極上方，根據(jù)不同濕度下電導(dǎo)率的規(guī)律性變化能夠測(cè)知環(huán)境濕度。濕敏材料的阻抗Z=R+jX[21-22]，參考式（2）可知，電導(dǎo)率與介電常數(shù)和頻率均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，在合適的檢測(cè)頻率下， 濕敏電阻薄膜可等效為圖3 所示的電路模型[23]，其中Rs代表金屬電極的歐姆接觸，不受環(huán)境濕度的影響。 在低濕狀態(tài)下， 敏感薄膜被等效為濕敏電阻與恒相位元件的并聯(lián)結(jié)構(gòu)；在高濕狀態(tài)下，除濕敏薄膜電阻外，離子導(dǎo)電元件CPE2與濕敏電阻串聯(lián)，使得濕敏薄膜轉(zhuǎn)化為Warburg 阻抗[24]，從而導(dǎo)致阻抗值大幅下降。考慮到水分子的離子極化僅在較低頻下進(jìn)行[18]，通過調(diào)節(jié)測(cè)試頻率，可以調(diào)節(jié)電阻型濕度傳感器在檢測(cè)線性度和靈敏度之間的平衡關(guān)系。

圖3 濕敏薄膜的等效阻抗圖[23]

電容式或電阻式濕度傳感器除受檢測(cè)頻率影響外，其測(cè)試值往往也受到環(huán)境溫度變化的影響。 首先，對(duì)于電容式濕度傳感器而言，一定頻率下敏感材料和凝結(jié)水的電荷或離子的極化受到溫度影響[25]，因此濕度檢測(cè)時(shí)的電容值也會(huì)被環(huán)境溫度變化干擾。 其次，電阻式濕度傳感器敏感介質(zhì)內(nèi)部的載流子遷移率、水分子脫附速率等也受到溫度影響，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)得的電阻值發(fā)生變化[26]。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致濕度傳感器測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生線性漂移，造成一定程度的檢測(cè)誤差。

對(duì)此濕度傳感器需要配置相應(yīng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)或補(bǔ)償方案， 主要分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。 硬件補(bǔ)償方案是通過惠斯通電橋差分檢測(cè)、集成微型加熱器、集成溫敏電阻等[26-28]方式實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償方案則主要包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性擬合算法等[29]。與硬件補(bǔ)償方案相比，軟件補(bǔ)償憑借更低的成本、更靈活的補(bǔ)償范圍和更高的補(bǔ)償精度逐漸成為解決濕度傳感器溫度漂移問題的主流技術(shù)[30]。

3 濕度傳感器的檢測(cè)參數(shù)及優(yōu)化

濕度傳感器的性能參數(shù)包括靈敏度、遲滯、反應(yīng)恢復(fù)時(shí)間、可靠性、穩(wěn)定性等，當(dāng)前研究熱點(diǎn)集中在對(duì)靈敏度和遲滯的改善上。 不同濕度傳感器靈敏度和遲滯性能的差異主要是由于濕敏材料特性及結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的，體現(xiàn)在材料種類、孔隙率、缺陷態(tài)數(shù)量、表面形態(tài)等方面[31]。 電阻型濕度傳感器的靈敏度通常用敏感電流或者電阻的比值來表示：

其中I 與I0分別代表目標(biāo)檢測(cè)濕度氛圍與初始濕度下的電流，ΔR 和ΔHR分別為阻值變化量與相對(duì)濕度（%RH）變化量。在電極上固定測(cè)試電壓后，濕敏元件電導(dǎo)率始終正比于濕度，電阻型濕度傳感器的靈敏度與材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。 研究顯示低維和多孔結(jié)構(gòu)的納米材料具有較高的感濕靈敏度。 利用機(jī)械剝離和離心等工藝制備出的黑磷量子點(diǎn)具有很高的比表面積，在（15～90）%RH 的濕度范圍內(nèi)，旋涂黑磷量子點(diǎn)薄膜的叉指電極阻值得到極大的降低[32]。 采用溶膠凝膠法合成的聚苯胺/ 聚乙烯醇多孔纖維材料，在(25～90)%RH 范圍內(nèi)電阻檢測(cè)靈敏度高達(dá)12.6 kΩ/(%RH)[33]。 利用表面活性劑摻雜后的CeO2具有較高的比表面積和豐富的表面活躍態(tài)， 測(cè)試顯示器件阻值在(11～95)%RH 的范圍內(nèi)下降了5 個(gè)數(shù)量級(jí)[34]。

電阻型傳感器的遲滯與靈敏度之間存在一種相互平衡的關(guān)系[31]，當(dāng)材料具有多孔結(jié)構(gòu)或者多表面態(tài)時(shí)，吸濕效果往往能夠得到改善，但水分子與羥基等表面基團(tuán)之間會(huì)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，且不均勻分布的孔隙會(huì)大量吸收水分，產(chǎn)生嚴(yán)重的遲滯現(xiàn)象，常用如下公式計(jì)算遲滯[35]：

其中ΔImax為吸濕與脫濕過程中濕敏電流的最大差值，F(xiàn)FS表示整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)濕敏電流的差值。通過調(diào)節(jié)氧化石墨烯的PH 值， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏度和遲滯的同步調(diào)整[36]。針對(duì)此問題，可以采用減小薄膜厚度或者熱退火處理的方法，通過減少表面活躍態(tài)來降低遲滯效應(yīng)[37-38]。

電容型濕度傳感器的靈敏度常用在一定濕度范圍內(nèi)電容變化量與相對(duì)濕度變化量的比值表示：

電容型濕度傳感器的敏感響應(yīng)與介電材料和水分子吸附有關(guān)[38]。 基于二維黑磷材料的叉指電容濕度傳感器在45%RH 以上的高濕環(huán)境中具有10 pF/(%RH)的靈敏度，但是對(duì)低于45%RH 的濕度檢測(cè)靈敏度只有0.2 pF/(%RH)[39]。 MARSHALL 等制備了一款(20～90)%RH 范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)17.57 pF/(%RH)的平板電極型傳感器，該傳感器的鋁電極具有規(guī)則的孔陣列， 這大大提升了水分子與聚酰亞胺的接觸面積，但在低濕下靈敏度只有0.89 pF/(%RH)[40]。除了聚合物介質(zhì)，金屬氧化物也存在低濕靈敏度低的問題[41]，不管是通過陽極氧化Ti 獲得海綿結(jié)構(gòu)的TiO2[42]，還是結(jié)合Ca、Mg、Fe、Ti 4 種金屬元素的氧化物陶瓷材料[20]，兩者仍然存在全濕度范圍內(nèi)靈敏度不均勻的缺點(diǎn)，因此一些關(guān)于陶瓷類孔隙分布、聚合物交聯(lián)和離子摻雜的研究被提出用來改善低濕響應(yīng)[43]。 現(xiàn)階段對(duì)于提高電容型傳感器靈敏度的研究仍然需要從材料的制備與改性的角度展開，除此之外，測(cè)試交流電壓的頻率也影響著極性材料介電參數(shù)的濕敏特性，因此測(cè)試電壓和選頻的調(diào)整也可以作為提升靈敏度的方法。

4 納米濕敏材料在濕度傳感器中的應(yīng)用

納米材料憑借其高比表面積、低成本、高靈敏度被廣泛應(yīng)用于濕度傳感研究[44]。 納米材料基于維度可以分為零、一、二維以及混合型4 類，主要制備方法有液相剝離、化學(xué)氣相沉積、靜電紡絲、溶膠凝膠、熱溶液法等[45]，不同維度的納米材料彼此結(jié)構(gòu)上的不同決定了濕敏特性的差異。

4.1 零維納米濕敏材料

零維材料的代表性結(jié)構(gòu)為量子點(diǎn)。 通過在純水環(huán)境下磁力攪拌石墨烯溶液，經(jīng)過離心去除掉較大的晶體顆粒，可以得到平均直徑為5 nm 的碳量子點(diǎn)[22]，并利用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)驗(yàn)證了量子點(diǎn)表面羰基和羥基團(tuán)的存在，在(7～43)%RH 的濕度范圍內(nèi)測(cè)得反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為25 s、60 s；PAWBAKE 等利用化學(xué)氣相沉積法在石英襯底上生長(zhǎng)出直徑為20 nm 的WS2顆粒，在(11～97)%RH 內(nèi)阻值變化了4.69 倍[46]，但是該方法采用了有毒的硫化氫，而且反應(yīng)過程中生成的氫氣危險(xiǎn)性較高。 相比于傳統(tǒng)的石墨烯傳感器，石墨烯量子點(diǎn)可以組成感濕網(wǎng)絡(luò)，在相同的條件下測(cè)得的電流-濕度變化率大于石墨烯材料[47]，同時(shí)石墨烯量子點(diǎn)在（0～40）%RH 低濕環(huán)境下具有較高的電導(dǎo)率，這保證了低濕環(huán)境下的檢測(cè)靈敏度，當(dāng)測(cè)試環(huán)境溫度在80～200 K 的低溫區(qū)間內(nèi)遞減時(shí)，敏感材料的電子活化能降低導(dǎo)致器件的電導(dǎo)率下降，因而選擇室溫作為測(cè)試環(huán)境[48]。盡管零維納米材料感濕靈敏度很高，但由于其性質(zhì)不穩(wěn)定，在濕度環(huán)境中測(cè)試值容易發(fā)生老化漂移[22]。

4.2 一維納米濕敏材料

一維納米感濕材料包括碳納米管、 有機(jī)纖維、金屬氧化物、無機(jī)金屬鹽以及鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物等[49-53]，相比零維量子點(diǎn)，一維納米材料具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械韌性[54-55]。袁嬌等采用碳納米管作為導(dǎo)電填料摻雜水泥，通過電化學(xué)阻抗譜測(cè)得在含水率為0.6%～6%的區(qū)間內(nèi)電阻率變化了87%[49]， 測(cè)試結(jié)果還顯示在25～55 ℃的區(qū)間內(nèi)，電阻率與溫度呈現(xiàn)出高度線性的正比關(guān)系，溫度的上升使得敏感材料的載流子濃度增加，電導(dǎo)率增加，在為納米濕敏傳感器在建材濕度檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。 青島大學(xué)相關(guān)研究組通過BaTiO3前驅(qū)體的靜電紡絲和高溫煅燒工藝，制備了具有高比表面積的多孔BaTiO3纖維，室溫下器件的反應(yīng)與恢復(fù)速度快至0.7 s 和0.4 s[7]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究組制備了一款集成加熱器的二氧化鈦納米管陣列薄膜（TNA）傳感器，該器件的電阻和電容均具有一定的濕敏效果。 由于敏感材料的熱膨脹特性以及溫度對(duì)材料表面態(tài)和水分子吸脫作用的影響，電阻和電容在22～45 ℃范圍內(nèi)隨溫度的上升而增加，器件靈敏度存在一定的溫度相關(guān)性[42]。 研究人員對(duì)其他金屬氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2[5]和ZnO[56]等也進(jìn)行了相似的研究，充分展現(xiàn)了一維納米材料的高比表面積和穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)在濕度檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)[56]。

4.3 二維納米濕敏材料

現(xiàn)階段研究較多的二維濕敏材料是石墨烯家族、黑磷、金屬氧化物以及過渡金屬的鹵化物等[15]，制備方法一般分為自頂向下和自底向上兩種[58]。 自頂向下方法的典型代表方案為液相剝離技術(shù)[59]，ZHAO 等利用氧化石墨烯制備出一款反應(yīng)時(shí)間6 s、 最大遲滯為5%RH 的濕敏電容， 由于制備過程中采用較低溫度（50 ℃）加熱氧化石墨烯并抑制了含氧官能團(tuán)的分解，器件的感濕特性得到保障；LEONARDI 等在叔丁醇溶液中以WS2完整晶體塊作為原材料，剝離制備出WS2分散液并沉積于銀電極上[2]，測(cè)試表明在（8～85）%RH的濕度范圍內(nèi)阻值變化了3 個(gè)數(shù)量級(jí)， 具有較高的靈敏度。 自底向上的代表性技術(shù)為化學(xué)氣相沉積法，可以用于垂直生長(zhǎng)ReS2的二維納米陣列[60]，將材料噴涂于陶瓷襯底的金電極之間制備出濕度傳感器，測(cè)得其遲滯小于1.5%RH。二維材料具有較高的比表面積，層內(nèi)分子的穩(wěn)定性高且富含表面態(tài)，其在濕敏領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[36,61]。YASAEI 等制備了一款二維黑磷薄膜濕度傳感器，雖然測(cè)試發(fā)現(xiàn)在20～50 ℃范圍內(nèi)相對(duì)濕度隨著溫度成反比關(guān)系，但是黑磷量子點(diǎn)薄膜的電流幾乎沒有變化[8]，器件具有較高的溫度穩(wěn)定性。

4.4 混合型納米濕敏材料

單維度的納米材料往往存在遲滯、穩(wěn)定性差等一系列問題，這一般是由于表面態(tài)或者晶體結(jié)構(gòu)的缺陷引起的[18,44]。具有較高比表面積和孔隙率的多維度混合材料，或者增加多表面態(tài)修飾，可以為電子或離子的傳輸、水分子的吸附游離提供新的路徑[6,61]，進(jìn)而有效改善單一維度納米濕敏材料的感濕特性。

電學(xué)納米濕度傳感器性能比較如表1 所示。 碳納米管（CNT）作為一維材料雖然擁有較高的比表面積和穩(wěn)定的電化學(xué)特性，但是在水溶液中容易形成團(tuán)簇，而且存在滲流閾值引起的敏感度漂移問題；而納米纖維素(NFC)擁有豐富的羥基官能團(tuán)，本質(zhì)上是疏水甚至絕緣的，無法單獨(dú)直接應(yīng)用于濕度傳感器[54]。 將上述2種材料混合，即在CNT 水溶液中摻雜微量NFC，可以有效抑制CNT 聚集[4]。 經(jīng)聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜真空抽濾分散液得到的NFC/CNT 濕敏電阻薄膜， 測(cè)試阻值在95%RH 環(huán)境下變化了64%。

針對(duì)聚合物導(dǎo)電性不足的問題，SHEVATE 等在PS-b-P4VP 的多孔網(wǎng)狀薄膜中摻雜填充了CNT，觀察到摻雜后的薄膜均勻一致且無缺陷，經(jīng)過金電極與薄膜之間的歐姆測(cè)試發(fā)現(xiàn)在（10～95）%RH 濕度范圍內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間低至0.3 s 且阻值下降為原來的1/820[62]，值得注意的是，當(dāng)測(cè)試溫度從25 ℃切換至50 ℃時(shí)，多孔聚物薄膜的吸水能力不同并開始呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性，這為實(shí)現(xiàn)材料的感濕靈敏度和濕滯之間的平衡提供了新的思路。

表1 電學(xué)納米濕度傳感器性能比較

5 濕度傳感器的封裝與檢測(cè)電路

對(duì)濕度傳感器元件進(jìn)行封裝可以增強(qiáng)器件在惡劣環(huán)境下工作的可靠性， 延長(zhǎng)使用壽命。 濕度傳感器由于其工作原理的限制，應(yīng)采取非密封封裝形式，即要求封裝管殼留有和外界連通的接觸孔或者接觸窗，讓濕敏芯片感濕部分和空氣中的濕氣能夠很好地接觸[63]。

5.1 濕度傳感器的封裝技術(shù)

對(duì)于在惡劣工況下使用的濕度傳感器，需要采取一些保護(hù)措施防止?jié)衩粜酒豢諝庵械幕覊m或雜質(zhì)沾污，目前，主要手段是使用金屬防塵罩或聚合物多孔膜進(jìn)行保護(hù)[64]。 侯明高公開了一種濕度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[65]，該設(shè)計(jì)通過在多孔封裝罩內(nèi)濕敏探頭的上表面設(shè)載灰鏡承接灰塵減少濕敏探頭上的落灰量，延長(zhǎng)濕度傳感器的正常使用時(shí)長(zhǎng)，還可檢測(cè)載灰鏡上的落灰程度，得知封裝罩內(nèi)受污染程度，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。 該設(shè)計(jì)適用于氣象站、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用場(chǎng)景。芬蘭Vaisala 公司生產(chǎn)了一種被應(yīng)用于火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)站的濕度傳感器[66]，該設(shè)計(jì)將傳感器電子元件與濕敏元件放置在36 mm×15 mm 的單層PCB上， 并由一個(gè)金屬法拉第籠保護(hù)。 法拉第籠上開孔以允許充分的通風(fēng)，聚四氟乙烯（PTFE）過濾材料覆蓋這些孔，以保護(hù)濕敏元件不受沙塵的影響。

濕度傳感器也廣泛應(yīng)用于智能家電、醫(yī)療監(jiān)測(cè)和電子皮膚等方向，因此，在封裝時(shí)應(yīng)考慮微型化、智能化以及透氣性、可穿戴性。 瑞士Sensirion 公司推出的SHT3x 系列溫濕度傳感器采用DFN 封裝[67]，其尺寸為2.5 mm×2.5 mm×0.9 mm，這種微型化的尺寸使其易于集成到例如空調(diào)、冰箱、空氣凈化器等各種應(yīng)用中。 東南大學(xué)李寶燁等人介紹了一種溫濕度傳感器集成系統(tǒng)的封裝設(shè)計(jì)[68]，其集成系統(tǒng)包含了電容式濕度傳感器、 鉑電阻溫度傳感器、PCap02 電容讀取芯片以及配套外圍電路，該設(shè)計(jì)的封裝管殼選擇一種耐高溫的液晶聚合物L(fēng)CP 塑料，管殼頂部有3 個(gè)透氣窗口，不僅實(shí)現(xiàn)芯片保護(hù)還提供了機(jī)械支撐，可應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品。 YANG 等制作了一種智能可穿戴柔性濕度傳感器[69]，該設(shè)計(jì)使用柔性PET 材料作為傳感器襯底，具有耐彎折、可穿戴的優(yōu)點(diǎn)，并使用3D 打印技術(shù)制作了手臂腕帶，將柔性濕度傳感器置入留有開孔的手臂腕帶。 該類傳感器可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體皮膚水分蒸發(fā)情況，在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)和智能穿戴系統(tǒng)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

5.2 濕度傳感器檢測(cè)電路

電阻濕敏元件將濕度的變化轉(zhuǎn)為電阻值的變化，為了精確識(shí)別電阻值變化量， 輸出高精度數(shù)字信號(hào)，就需要為濕敏元件搭配電阻讀取檢測(cè)電路，通過信號(hào)處理將其轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓、 頻率或電流信號(hào)。電阻濕度傳感器利用感濕材料電阻率/電導(dǎo)率的變化來檢測(cè)環(huán)境濕度的變化，常用的檢測(cè)電路是使用惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)為電壓信號(hào)的變化[27]，再配合高精度低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸出數(shù)字信號(hào)。 HU等研制了集成片上電路的納米TiO2電阻式濕度傳感器，如圖4 所示，集成微傳感器芯片由濕度傳感器和讀出電路組成[70]。 該濕度傳感器由叉指電極和濕敏電阻薄膜組成，該方案采用電阻分壓法將傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)為輸出電壓的變化，經(jīng)測(cè)試，當(dāng)濕度從30%RH 升至90%RH 時(shí)，輸出電壓由2.27 V 降至2.05 V，線性度良好。

圖4 惠斯通電橋式濕敏電阻讀出電路[70]

電容濕敏元件輸出信號(hào)是電容的變化量，無法直接作為輸出信號(hào)，同時(shí)微小的電容變化量容易被各種噪聲信號(hào)所淹沒， 為了將這些變化量準(zhǔn)確地讀出，需要配以電容讀取檢測(cè)電路。 電容式濕度傳感器主要由濕敏電容、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)構(gòu)成。電容式傳感器的信號(hào)讀出方式一般分為電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)讀出、電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)讀出等。 電容/頻率轉(zhuǎn)換電路通常采用可變振蕩器的方法實(shí)現(xiàn)， 電容/電壓轉(zhuǎn)換通常采用開關(guān)電容電路原理實(shí)現(xiàn)。 齊元采用差分式開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)了濕度傳感器的信號(hào)讀出電路，包括電容、CMOS 開關(guān)、兩級(jí)運(yùn)算放大器電路[71]。 該讀出電路中感濕電容大小變化范圍為4～5.5 pF，輸出電壓有1.5 V 的幅值轉(zhuǎn)變，讀出電路轉(zhuǎn)換分辨率1 mV/fF， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小感濕電容的檢測(cè)。秦浩教授等使用了電容/頻率轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)濕度變化時(shí)，振蕩電路頻率隨濕敏電容值發(fā)生改變，而基準(zhǔn)電容形成的振蕩電路頻率保持不變， 微處理器(MCU)通過計(jì)算兩路信號(hào)的頻率差值實(shí)現(xiàn)電容信號(hào)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機(jī)采集運(yùn)算后形成數(shù)字信號(hào)輸出[72]。該設(shè)計(jì)選取溫度系數(shù)相同或相近的基準(zhǔn)電容和電阻，有效補(bǔ)償了傳感器的溫度系數(shù)，測(cè)試結(jié)果表明該濕度傳感器可在低溫和高濕環(huán)境下穩(wěn)定工作。

6 結(jié)束語

本文闡述了近年來電學(xué)濕度傳感器領(lǐng)域的研究狀況和成果，主要從濕度傳感器原件的敏感材料和配套的封裝電路方案2 個(gè)層面展開論述， 總結(jié)了重要的敏感性能參數(shù)優(yōu)化成果，分析了靈敏度、遲滯等濕度檢測(cè)參數(shù)的影響因素。 在詳細(xì)探討了濕度檢測(cè)機(jī)理與敏感材料關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)不同種類和納米結(jié)構(gòu)的濕敏材料研究進(jìn)行了闡述。 此外，文章總結(jié)了現(xiàn)階段電學(xué)濕度傳感器的主流封裝工藝與檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)和提升器件的精準(zhǔn)性、長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性提供了思路。 作為濕敏介質(zhì)的納米材料雖然具有優(yōu)異的感濕特性，但仍需解決制備工藝復(fù)雜、均一性差、性質(zhì)不穩(wěn)定等問題，以實(shí)現(xiàn)濕度傳感器靈敏度、遲滯、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)性能的進(jìn)一步提升。