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傳統的濕度測量采用大尺寸分立電路，或者耗電量達4-20mA的笨重濕度傳感模塊，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。 小型數字濕度傳感器單芯片為滿足眾多應用需求而提供更合適的解決方案，這些應用包括便攜式氣象站、霧化器、用于貨物和資產運輸的數據記錄儀、智能電話/功能型電話配件以及遠程環境感應節點等。 為了更好的理解使用數字濕度傳感器帶來的益處，我們將討論以下主題： ? 傳統相對濕度（RH）分立傳感器與數字相對濕度單芯片傳感器對比。 ? Silicon Labs Si7005數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生的最大壓力）。 如果水分含量超過飽和水汽壓，會產生冷凝，并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。可以通過很多技術來測量相對濕度，從彈簧支撐結構的簡單機械指示桿到復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。 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年，其填補了機械和光學RH感應之間的測量空白。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，其依據吸收水分量而改變導電特性。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，并通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方案體積更小、更容易校準，但是他們需要很多輔助器件來實現線性化、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，并且在給客戶發貨之前每個器件單元都需要經過生產線校準，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復雜度，而且意味著在最終應用的產品生命周期中需要周期性的校準。 數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CMOS IC中，并具有數字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讀數總是比分立式方案的讀數更精確。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過工廠校準，因此無需客戶校準。該傳感器采用工業標準的4mm x 4mm QFN封裝，并具有小型開口用于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。保護傳感器在安裝周期以及整個終端產品壽命周期中，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勢。 表1. 單芯片傳感器相對于傳統分立式設計的好處 通過以下方式獲得電容到RH的轉換和對RF精度的微調： ? 所有器件均在兩個RH測試點進行電容校準。 ? 計算RH時實施片上增益和補償校準。 做進一步的非線性化和溫度補償可以達到±3％的RH精度。非線性化和溫度系數由Silicon Labs提供。 與傳統的分立式、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節電路和模數轉換器（ADC）轉換成數字格式。為了輸出電壓或頻率，無需片外信號調節或數字轉換器。物料清單（BOM）僅包括兩個旁路電容器，而傳統分立式傳感器可能需要幾十個器件，以實現相同功能。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、更少的設計負擔、更小的體積和重量、更高的可靠性和更快的上市時間。 即插即用的易用性 數字輸出和工廠校準免除Si7005相對濕度傳感器的校準過程，所以每個傳感器都可以相互替換。在從一個器件單元切換到另一個器件單元時，無需任何軟件/固件改變或校準；主機處理最后的線性化和溫度補償，該算法使用固定值，不因芯片的變換而改變；在生產線上無需花費時間或人力來調整每個器件單元，由此返工和現場維護更加方便。 保護蓋 可選的工廠安裝的保護蓋，如圖2所示，使Si7005非常牢固和易用。這種薄型疏水性/疏油性薄膜可保護傳感器在板級安裝前、中和后，避免液體/冷凝液和粉塵帶來的侵害，而測量的靈敏度也不會受到保護蓋的影響。 圖2. 具有和不具有保護蓋的Si7005 從MCU端口引腳為Si7005濕度傳感器供電以獲得低功耗 Si7005相對濕度傳感器可以動態的從單片機（MCU）端口引腳獲得每次轉換所需的電能。由于Si7005傳感器僅僅需要240-320μA，因此大多數MCU端口引腳都可以提供此電流。由于Si7005濕度傳感器在兩次轉換之間可關掉電源，因此無需CS ˉˉ引腳，能夠永久拉低，如圖3所示。 圖3. Si7005低功耗操作配置，電源來自MCU端口引腳 如何從單片機端口引腳為傳感器供電： ? 連接Si7005傳感器的Vdd/Vs引腳到主單片機上用于開關電源的GPIO。 ? 使用MCU /主機的Vdd為I2C上拉電阻供電。 ? 器件上電后，允許有28ms為Cext充電（假設MCU IOH 0.3mA）。 ? 讀取RH和溫度（通常每次需要35ms轉換時間）。 ? Vs降到0V。 ? 采用線性化和溫度校正系數，以獲得校準的RH和溫度值。 ? Si7005相對濕度傳感器具有片內加熱器，可增加Idd 到大約30mA。除非單片機端口引腳可提供30mA電流，否則不要在此配置中啟動加熱器。如果啟動加熱器，功耗增大到3.3V×30mA = 0.1W，晶圓和傳感器溫度將在片外環境溫度之上增加5℃-8℃（假設分別為4層和1層PCB使用熱阻（Theta-J-A）50℃/W和80℃/W）。Si7005供電需要Vdd = 3.3 V，此為Si7005數據手冊中Idd的典型值。 ? 上電過程中，功耗典型值為300μA，4.7μF Cext充電到1.8V需要28ms（或14ms，如果IOH=0.6mA）。 ? RH測量（35ms）Idd典型值為240μA。 ? 溫度測量（35ms）Idd典型值為320μA。 ? 掉電過程 - 電容放電需要約15ms。器件將處于掉電狀態一直到下一次轉換。 ? 器件自熱 如果溫度和濕度轉換每分鐘執行1次、2次或4次，96μJ能耗等于下列平均電流： ? 96μJ / (3.3V x 15) = 2μA平均電流，每分鐘4次轉換。 ? 96μJ / (3.3V x 30) = 1μA平均電流，每分鐘2次轉換 。 ? 96μJ / (3.3V x 60) = 0.5μA平均電流，每分鐘1次轉換。 功耗敏感型便攜式系統的電池選擇 選擇合適的電池是便攜式濕度檢測系統設計的重要考慮因素。電池的特性因電池內部的化學物質、漏電流和溫度而變化。電池主要分為兩大類： ? 不可充電的原電池 - 通常比可充電電池成本更低、能量密度更高。 ? 可充電的蓄電池 - 由于活性材料的耗散、電解質的損失以及內部腐蝕，此類電池不能 無限次數的重復充電，并且在使用前必須進行充電。 附錄1列出主要的電池特性，附錄2詳細說明一般的電池類型。 當每分鐘操作2次轉換時，Si7005相對濕度傳感器在每年操作中將消耗8.76毫安時（mAh），這僅僅是通常電池電量的一小部分。根據選擇的電池類型不同，需要應用下列額外的設計原則。 Si7005 Vdd的范圍是2.1V-3.6V。為獲得更好的轉換精度，Vdd應不低于2.3V。當使用AA電池時，推薦使用兩節電池串聯。如果放電限制到1.15V，3000mAh的AA堿性電池的電量將減少到2000mAh，這仍然相當充足。 雖然容量有限，鈕扣電池依舊是Si7005濕度和溫度傳感器電源的很好選擇，因為電池電壓符合傳感器操作范圍。對于230mAh容量的鈕扣電池來說，當GPIO在轉換之間關閉傳感器供電時，Si7005電量消耗僅為電池容量的一小部分。就原生鋰電池和蓄電池來說，新電池電壓對于Si7005傳感器來說太高了，需要串聯電壓調節器。 總結 低功耗便攜式濕度傳感器的市場需求在不斷增加，新興的用于“物聯網”的便攜式和移動系統也起到極大的推動作用。數字濕度單芯片傳感器IC，例如Silicon Labs Si7005器件，是這種系統的理想選擇。Si7005是小型高性能的相對濕度和溫度傳感器，最大限度的減少片外元件數量和BOM成本。片上校準、數字I2C主機接口、可選的保護蓋，以及具有成本效益的評估板和開發套件使開發人員可以快速方便的實現特性豐富的便攜式濕度傳感器系統，并且系統的產品運行時間和電池壽命至少達5-10年。對于沒有空間限制的應用來說，AA電池是很好的選擇，而在電池尺寸受限的應用中，鈕扣電池更佳，并且可提供多年服務。 附錄1. 電池關鍵特性詳解 電壓 電池電壓的典型值、最小值和最大值很重要。例如1.5V堿性電池放電范圍是1.5-0.9V。 放電電流 在產品生命周期中，平均放電電流決定操作器件需要提供多大容量的電池。重要的是知道放電電流的最大值，以確保電池能為間歇性負載提供電流。 電池壽命 電池的壽命取決于放電電流。一般電池壽命是在指定放電電流下的最大電池壽命，其低于最大放電電流。 尺寸和重量 電池的化學物質和應用所需的功耗極大影響所選的電池大小和重量。通常，相同能量下更小更輕的電池比更大更重的電池成本更高。 保質期 在客戶收到產品之前，應考慮電池保質期。某些電池比其他電池的保質期更長。有時保質期被指定為自放電電流，應該從電池壽命中去除。 溫度 電池化學成分決定工作溫度范圍。然而，即使指明電池可以在極端的溫度下操作， 電池性能和壽命也可能會受到影響。低溫可能影響性能，同時高溫會顯著降低電池壽命。 原電池或蓄電池 可充電電池或蓄電池可以多次使用，但通常比較昂貴，而且通常需要充電器。 充電 不適當的充電是充電電池早期失效的主要原因。更好的充電器所花費的成本往往超過增加的性能和減少替換次數而節省的成本。 循環壽命 充電電池只能使用一定次數。 成本 技術上理想的電池可能成本高昂。例如，一次性鋰電池的成本可能是堿性電池的30倍以上，此外，還要加上電池連接器、加工，以及為保護和/或充電電路的額外電路所需的成本。 附錄2. 常用電池類型 |
