小型數(shù)字濕度傳感器IC，延長電池壽命并降低設計復雜度
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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?shù)臄?shù)據(jù)記錄儀、智能電話/功能型電話配件以及遠程環(huán)境感應節(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(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(jù)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(shù)（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(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，但是他們需要很多輔助器件來實現(xiàn)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(fā)貨之前每個器件單元都需要經(jīng)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(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，因此無需客戶校準。該傳感器采用工業(yè)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(yōu)勢。
表1.單芯片傳感器相對于傳統(tǒng)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(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節(jié)電路和模數(shù)轉換器（ADC）轉換成數(shù)字格式。為了輸出電壓或頻率，無需片外信號調節(jié)或數(shù)字轉換器。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。
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