MEMS压阻式温湿度传感器的封装与测试

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MEMS湿度传感器以其体积小、响应快、线性好、精度高等优点受到越来越多的重视。本实验室设计的MEMS压阻式湿度传感器的工作原理是当环境湿度变化时,利用感湿聚合物(聚酰亚胺)吸收水分后体积膨胀产生张力,使得压阻附近的应力增大,其阻值产生相应的变化,利用惠斯通电桥产生了变化的电压信号,通过放大器和模数转换,经过湿度标定输出数字湿度值。   该传感器由于采用压力方式测试湿度变化,存在温漂效应,传感器易受外部温度条件的影响,长期工作后误差大。作者对本实验室早期的产品进行了测试和分析,发现产生温漂现象的主要原因是感湿聚合物对温度十分敏感,随着温度的变化,感湿聚合物受热膨胀产生的相应形变,与由于湿度变化产出的形变相互耦合,因此产生了在相同的相对湿度不同温度下,传感器输出了不同的相对湿度值。   针对实验室早期产品存在的问题,作者对系统硬件结构和软件程序进行优化。在硬件方面将惠斯通电桥电路由恒压源供电改成电流驱动方式。改进后的每个压阻发热的平均功耗比改进前降低了100倍。用仪表运算放大器AD623替代了普通运算放大器,提高了系统的输出精度。增加了FLASH模块来存储标定的温湿度数据。在软件方面通过软件进行温度补偿并修改程序使单片机IDAC输出的电流在进行AD采样时产生,其他时间段关闭IDAC不产生电流,将原来的直流电流改为脉冲电流。改进后传感器压阻的发热量减小了100倍,进一步抑制了传感器的温漂。修改了SMBUS通讯程序,可以使传感器系统上传浮点型电压值并可以及时更新标定的数据,避免了传感器的老化。   在封装方面采用了两种封装结构对传感器系统进行封装。采用可伐合金材料的外壳进行封装的传感器系统体积小巧、便于携带,缺点是没有防爆功能。采用具有防爆功能的封装盒进行封装,将传感器芯片放置在顶部,其他硬件模块焊接在一块PCB板上放置在盒子的底部,传感器芯片与PCB板的间距很大,底部PCB板上所产生的热量就不会影响到盒子顶部的传感器芯片,从而减小了传感器的温漂现象,封装后的传感器在高湿条件下,避免了水汽凝结在感湿芯片表面,有效增大了传感器的湿度量程。   对改进后的传感器进行测试,经软件补偿后在10℃~50℃范围内传感器由温漂引起的湿度变化小于1.5%RH,湿度精确度达到2%,湿度量程为10%~95%。
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