CN104198545B - 探空仪用加热式湿度传感器及其制备方法及一种湿度检测电路 - Google Patents

Abstract

探空仪用加热式湿度传感器及其制备方法及一种湿度检测电路，属于湿度度传感器技术领域。为了解决高空低温、高湿恶劣环境下探空仪湿度传感器容易结露，高空环境下湿度波动大、电路板分布电容对测量结果有影响的问题。本发明的湿度传感器为具有蛇形加热器的平板夹心电容式湿度传感器，并提供了所述传感器的制备方法。还提出一种基于电容充放电及比较法的湿度测量电路，从而有效的抑制温度漂移和零点漂移，减小寄生电容对测量结果的影响。它用于探空仪中。

Description

探空仪用加热式湿度传感器及其制备方法及一种湿度检测电路

技术领域

本发明属于湿度度传感器技术领域。

背景技术

高空气象探测业务水平是衡量一个国家大气探测科学水平的主要参考之一，而湿度探测是高空气象探测重要环节。由于高空环境恶劣，湿度变化剧烈，环境温度最低达到-90℃，这就要求湿度传感器具有耐低温、响应快、抗干扰能力强等优点，而电容式湿度传感器具备上述特点，并且制造成本较低，成为探空仪用湿度传感器研究的重要方向之一。但由于电容式湿度传感器自身结构特点，当在高湿环境中时，湿度传感器表面容易产生结露现象，使得测量误差增大，甚至造成传感器失效。目前国内外相关学者研究重点倾向于优化传感器结构、改进湿敏材料等方面。欧美等发达国家在该领域的研究一直处于世界领先的地位，如奥地利E+E公司研制的高分子电容式湿度传感器从感湿材料方面解决低温湿度测量问题，其响应时间约1.5s，分辨率约1％，不确定度约5％，能够在-80℃正常工作；芬兰维萨拉公司研发的RS92型探空仪从传感器结构和工作模式上解决低温湿度测量问题，采用两片具有加热功能的湿度传感器交替工作，其响应时间小于0.5s，分辨率约1％RH，不确定度约5％，是目前公认的高空湿度探测的标准。

所以目前湿度传感器扔存在在低温环境下湿度测量效果不好问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决高空低温、高湿恶劣环境下探空仪湿度传感器容易结露，高空环境下湿度波动大、电路板分布电容对测量结果有影响的问题，本发明提供一种探空仪用加热式湿度传感器及其制备方法及一种湿度检测电路。

本发明的探空仪用加热式湿度传感器，它包括由基底、第一绝缘层、蛇形加热器电极、第二绝缘层、下电极、感湿层和多孔上电极；其中，基底的上表面铺设第一绝缘层；在第一绝缘层的上表面设置有蛇形加热器电极；

所述蛇形加热器电极包括第一加热器焊盘、第二加热器焊盘、第一引出电极、第一部分蛇形电极、第二部分蛇形电极、第三部分蛇形电极和第二引出电极；

第一引出电极的一端与第一部分蛇形电极的首端连接，第一部分蛇形电极的末端与第二部分蛇形电极的首端连接，第二部分蛇形电极的末端与第三部分蛇形电极的首端连接，第三部分蛇形电极的末端和第二引出电极的一端连接，第一引出电极的另一端与第一加热器焊盘连接，第二引出电极的另一端与第二加热器焊盘连接；

第一部分蛇形电极和第三部分蛇形电极在第二部分蛇形电极的两侧呈镜像对称，且第一部分蛇形电极的蛇形排布方向与第二部分蛇形电极的蛇形排布方向互相垂直；

所述第二绝缘层铺设在蛇形加热器电极上，并且露出第一加热器焊盘和第二加热器焊盘；

所述下电极铺设在第二绝缘层上；所述感湿层铺设在下电极上；所述多孔上电极铺设在感湿层上；所述基底的下表面设置有经镂空后形成的凹槽。

所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法，，所述方法包括如下步骤：

步骤一：制备传感器的基底，并采用去离子水清洗制备的基底；

步骤二：将步骤一制备的基底的表面氧化，生成一层致密的SiO₂，作为第一绝缘层；

步骤三：在步骤二获得绝缘层上表面，采用光刻工艺和磁控溅射的方法制备蛇形加热器电极；

步骤四：采用射频溅射的方法在步骤三制备的蛇形加热器电极的上表面制备Al₂O₃保护层，作为第二绝缘层；

步骤五：采用光刻工艺和磁控溅射的方法在第二绝缘层的上表面制备下电极；

步骤六：采用腐蚀镂空的方法对步骤五制备的下电极的上表面和步骤一所述基底的下表面分别进行镂空处理；

步骤七：在镂空处理后的下电极的上表面制备感湿层；

步骤八：采用蒸发镀膜机在感湿层的上表面制备多孔上电极。

一种湿度检测电路，，所述湿度检测电路包括探空仪用加热式湿度传感器C_m、标准电容C_s、模拟电阻R_P、寄生电容C_P、电阻R1、电阻R2、三个运算放大器、2个单刀双掷开关和供电电源；

所述湿度传感器C_m的一端和标准电容C_s的一端同时接供电电源的地端，湿度传感器C_m的另一端与第一单刀双掷开关的一个静端连接，标准电容C_s的另一端与第一单刀双掷开关的另一个静端连接，

第一单刀双掷开关的动端与模拟电阻R_P的一端连接，模拟电阻R_P的另一端与寄生电容C_P的一端、电阻R1的一端和第一运算放大器的正向输入端同时连接供电电源的Vcc端，寄生电容C_P的另一端接供电电源的地端，

电阻R1的另一端接第二单刀双掷开关的动端，第二单刀双掷开关的一个静端接供电电源的Vcc端，第二单刀双掷开关的另一个静端接供电电源的地端，

第一运算放大器的信号输出端同时与电阻R2的一端同时和第一运算放大器的反向信号输入端连接，第一运算放大器的供电电源正极与供电电源的Vcc端连接，第一运算放大器的供电电源地端与供电电源的地端连接，电阻R2的另一端同时与第二运算放大器的正向信号输入端和第三运算放大器的正向信号输入端连接，第二运算放大器的反向信号输入端与供电电源的Vcc端连接，第三运算放大器的反向信号输入端与供电电源的Vcc端连接，

第二运算放大器的供电电源正极与供电电源的Vcc端连接，第二运算放大器的供电电源地端与供电电源的地端连接。

本发明的有益效果在于，本发明提供了一种具有蛇形加热器的平板夹心电容式湿度传感器，通过在不同环境温度条件下控制蛇形加热器电极的加热功率，使得湿度传感器表面温度恒定在理想的温度范围，从而有效解决了湿度传感器高空环境下结露的问题。同时，提供基于所述探空仪用加热式湿度传感器的一种湿度检测电路，具有很好的温度稳定性，能够有效的抑制温度漂移和零点漂移，减小了寄生电容对测量结果的影响。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的探空仪用加热式湿度传感器的原理示意图。

图2为具体实施方式一中第一种加热器电极的结构示意图。

图3为具体实施方式一中第二种加热器电极的结构示意图。

图4为具体实施方式一中第三种加热器电极的结构示意图。

图5为具体实施方式一中第四种加热器电极的结构示意图。

图6为具体实施方式一中所述蛇形加热器电极的结构示意图。

图7为具体实施方式十中所述探空仪用加热式湿度传感器的等效电路；

图8为具体实施方式十中湿度检测电路的原理示意图。

图9为对标准电容及湿度传感器在相同的情况分别进行充电，电容充放电曲线；。

图10为本发明的探空仪用加热式湿度传感器在+30℃环境下湿度检测性能测试曲线；

图11为本发明的探空仪用加热式湿度传感器湿度上升与下降测量特性曲线；

图12为本发明的探空仪用加热式湿度传感器湿度传感器时间常数测试曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的探空仪用加热式湿度传感器，它包括由基底1、第一绝缘层2、蛇形加热器电极8、第二绝缘层9、下电极10、感湿层11和多孔上电极12；其中，基底1的上表面铺设第一绝缘层2；在第一绝缘层2的上表面设置有蛇形加热器电极8；

所述蛇形加热器电极8包括第一加热器焊盘5、第二加热器焊盘6、第一引出电极、第一部分蛇形电极、第二部分蛇形电极、第三部分蛇形电极和第二引出电极；

第一引出电极的一端与第一部分蛇形电极的首端连接，第一部分蛇形电极的末端与第二部分蛇形电极的首端连接，第二部分蛇形电极的末端与第三部分蛇形电极的首端连接，第三部分蛇形电极的末端和第二引出电极的一端连接，第一引出电极的另一端与第一加热器焊盘5连接，第二引出电极的另一端与第二加热器焊盘6连接；

第一部分蛇形电极和第三部分蛇形电极在第二部分蛇形电极的两侧呈镜像对称，且第一部分蛇形电极的蛇形排布方向与第二部分蛇形电极的蛇形排布方向互相垂直；

所述第二绝缘层9铺设在蛇形加热器电极8上，并且露出第一加热器焊盘5和第二加热器焊盘6；

所述下电极10铺设在第二绝缘层9上；所述感湿层11铺设在下电极10上；所述多孔上电极12铺设在感湿层11上；所述基底1的下表面设置有经镂空后形成的凹槽13。

由于湿空气的饱和水蒸气含量与空气温度成正比。当空气温度较高时，空气中能够存在的水蒸气多，当空气温度较低时，空气中能够存在的水蒸气少，即使含有的水蒸气很少也会产生结露。所以，即使湿空气自身未达到饱和状态，当湿度传感器表面温度低于湿空气的饱和温度时，物体表面的水蒸气也会凝结，产生结露。若能在不影响湿度传感器测量特性的情况下，将湿度传感器表面温度恒定在某一个温度范围内，使湿度传感器表面温度高于环境温度，那么就能避免湿度传感器表面结露。

本实施方式是一种具有蛇形加热器电极的平板夹心电容式湿度传感器，通过在不同环境温度条件下控制加热器的加热功率，使得湿度传感器表面温度恒定在理想的温度范围，从而有效解决了湿度传感器高空环境下结露的问题。

同时，本实施方式中，采用聚酰亚胺作为湿度传感器的感湿层11，聚酰亚胺在-200℃～+260℃之间具有优良的力学性能及介电性能，在此温度范围内具有较好的尺寸稳定性，具有优秀的耐高温、耐低温、耐辐射、耐磨损性能，并且具有易于改性，加工形态多样性、合成多样性等特点。通过对湿度传感器进行加热，使得聚酰亚胺感湿薄膜工作在恒定的温度条件下。由于聚酰亚胺感湿特性随温度的变化而变化，这就要求湿度传感器在加热过程中其表面温度分布均匀，且加热面积需覆盖有效感湿区域，从而保证湿度传感器测量的稳定性和可靠性。

本实施方式采用铂金属制备蛇形加热器，为了得到最优的加热效果，采用了如图2至图5所示的四种加热器结构，并将四种加热器加载到湿度传感器结构中，进行有限元仿真分析，包括湿度传感器热传递过程分析、衬底材料传热分析。

首先建立了湿度传感器热传导模型，高空环境中湿度传感器热量主要以热传导、热对流及热辐射三种形式散失，分别表示为Q_Cond、Q_Conv、Q_Rad。T₁、T₂分别表示传感器内部温度及环境温度。湿度传感器总热散失Q可由式(1)表示。

Q＝Q_Cond+Q_Conv+Q_Rad， (1)

为了简化分析过程，将湿度传感器近似为一个规则的长方体，假设长方体面积为S，高度为h，那么湿度传感器热传导方程可由式(2)表示

${\mathrm{dQ}}_{Cond}=-\mathrm{\λ}S\frac{dt}{dx},---\left(2\right)$

其中λ为导热系数，dt/dx为温度梯度向量，方向指向温度升高的方向。对上式中的x做0～h的积分可得

$Q_{Cond}{\∫}_0^{h}dx=-\mathrm{\λ}S{\∫}_{T_1}^{T_2}dx=\frac{\mathrm{\λ}S(T_1-T_2)}{h},---\left(3\right)$

热对流的实质是由于流体质点的宏观运动而引起的热量传递。热对流传热方程可表示为

Q_Conv＝μ(T₁-T₂)， (4)

其中μ为空气对流系数，一般取10W/(m²·K)。

热辐射是指物体以电磁辐射的形式将热能向外散发的传热方式，这种传热方式不依赖外界任何条件。根据斯特藩-玻耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann Law)，热辐射传热方程可表示为

Q_Rad＝2Sσε(T₁ ⁴-T₂ ⁴)， (5)

其中S为加热区面积，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)，为玻耳兹曼常数，为了简化分析过程，假设传感器为绝对黑体，那么ε＝1。

假设环境温度为-70℃，生热率1.16×1011W/m³，为了简化仿真过程，做出以下两个约定：忽略材料因温度、湿度改变引起的导热系数的变化；忽略传感器各层间的接触热阻。

从仿真结果可知，第一种加热器结构工艺实现最简单，热分布相对较均匀，但温度呈阶梯状下降，有效感湿面边缘部分温度不相同；为了使得有效感湿面积温度相同，在第一种加热器结构基础上进行了改进，从仿真结果可知，虽然目标温度覆盖区域有所增大，但温度不连续，有效感湿面温度分布不均匀；在前两种结构基础上进行了优化改进，得到第三种加热器结构，从仿真结果可知，与前两种结构相比，第三种结构热分布有所改善，目标温度覆盖区域进一步增大，但仍未覆盖整个有效感湿面；第四种结构目标温度覆盖区域最大，目标温度覆盖了有效感湿面，但传感器中心处温度不连续。

在以上四种结构基础上进行优化和改进后，本实施方式提供了如图6所示的蛇形加热器电极的结构。

加热器总体积V≈2.9×10^-8m³。加热电极电阻可通过式(6)计算，其中ρ＝1×10^-3Ω·m，为铂电阻的电阻率，L＝33.95×10^-3mm，为加热电极的总长度，S＝8.5×10^-7m，为加热电极的横截面积。

$R=\frac{\mathrm{\ρ}L}{S}=\frac{1\×{10}^{-3}\×33.95\×{10}^{-3}}{8.5\×{10}^{-7}}\≈40\mathrm{\Ω},---\left(6\right)$

对图6所示的蛇形加热器电极的结构进行仿真，从仿真结果可知，湿度传感器最高温度约为12.5℃，湿度传感器有效感湿面平均温度为2℃左右，实验证明，本实施方式的湿度传感器的温度分布均匀，目标温度覆盖了有效感湿面。

当对衬底采用腐蚀工艺进行硅衬底刻蚀，生热率仍然为1.16×1011W/m³，环境温度为-70℃，对衬底镂空后湿度传感器传感器进行仿真可看出，湿度传感器中心最高温度约为+30℃，湿度传感器有效感湿面平均温度约为+20℃，进行硅衬底刻蚀后，在相同的加热功率及环境温度下，湿度传感器温升更高，提高了加热的效率，降低了功耗。对湿度传感器背面热进行仿真，从仿真结果可看出，在硅衬底上方制备SiO₂不仅具有绝缘的效果，并且具有较好的隔热效果，湿度传感器背面最高温度约为-47℃，该结构有效降低了传感器的热量散失。

根据对湿度传感器加热后仿真表面温度横向、纵向分布曲线，得出湿度传感器表面13.5mm×16.3mm区域的平均温度约为20℃，该区域覆盖了湿度传感器有效感湿面积。在高空低温环境下，温度变化范围为+35℃～-90℃，通过对环境温度的测量，确定加热功率，使得湿度传感器有效面积上的温度维持在+20℃左右，一方面，保证湿度传感器表面温度高于环境温度，避免湿度传感器结露；另一方面，静态实验结果表明，当湿度传感器表面维持在+20℃左右时，湿度传感器的测量特性最佳。

进行热仿真分析时，选取+10℃～-70℃为环境温度，湿度传感器表面目标温度为+20℃，得到了表1中加热功率与环境温度的关系。

表1加热功率与环境温度关系表

采用最小二乘法对以上数据进行曲线拟合，拟合方程如式(7)所示。

y＝-0.0116x+0.3510， (7)

拟合方程如式(7)表示环境温度y与加热功率x的函数关系，使得在不同的温度环境下给湿度传感器提供不同的加热功率，使得湿度传感器表面温度维持在+20℃，从而使得湿度传感器工作在理想的温度条件下。

本实施方式中的蛇形加热器电极的尺寸如图6所示。

具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式一所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：制备传感器的基底1，并采用去离子水清洗制备的基底1；

步骤二：将步骤一制备的基底1的表面氧化，生成一层致密的SiO₂，作为第一绝缘层2；

步骤三：在步骤二获得绝缘层上表面，采用光刻工艺和磁控溅射的方法制备蛇形加热器电极8；

步骤四：采用射频溅射的方法在步骤三制备的蛇形加热器电极8的上表面制备Al₂O₃保护层，作为第二绝缘层9；

步骤五：采用光刻工艺和磁控溅射的方法在第二绝缘层9的上表面制备下电极10；

步骤六：采用腐蚀镂空的方法对步骤五制备的下电极10的上表面和步骤一所述基底1的下表面分别进行镂空处理；

步骤七：在镂空处理后的下电极10的上表面制备感湿层11；

步骤八：采用蒸发镀膜机在感湿层11的上表面制备多孔上电极12。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤一中，所述基底1为厚度400μm、晶向100的单晶硅；

步骤二中，所述绝缘层的厚度为500nm～1000nm。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤三中，在步骤二获得绝缘层上表面，采用光刻工艺和磁控溅射的方法制备蛇形加热器电极8的方法为：

以蛇形加热器电极8的镂空图案为掩膜板，将光刻胶均匀涂在经步骤二获得绝缘层上表面，然后在80℃～100℃下烘20min～40min，曝光15s～30s后，转移至显影液中显影20s～40s，在去离子水中漂洗20s～30s，然后在100℃～120℃下坚膜30min～40min；

采用磁控溅射的方法在所述光刻胶的上表面镀膜，靶材为99.99％的铂，靶材尺寸为Φ60×2.5mm，在真空度达到1×10^-5Pa～2×10^-5Pa时，往溅射室通氩气，氩气的流量为15ml/min～25ml/min，氩气压强为1.5Pa～2.5Pa；利用丙酮溶解光刻胶，并超声至蛇形加热器电极8图案清晰。具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤四中，采用射频溅射的方法在步骤三制备的蛇形加热器电极8的上表面制备Al₂O₃保护层的方法为：

将光刻胶均匀涂在步骤三制备的蛇形加热器电极8的上表面，然后在80℃～100℃下烘20min～40min，将以焊盘的图案为掩膜板盖在光刻胶的上表面，曝光15s～30s后，转移至显影液中显影20s～40s，在去离子水中漂洗20s～30s，再在100℃～120℃下坚膜30min～40min；

当真空度达到1×10^-5Pa～2×10^-5Pa时，往溅射室通氩气，氩气的流量为15ml/min～25ml/min，氩气压强为1.5Pa～2.5Pa，溅射功率为60W～80W，时间为120min～180min，镀膜时压强控制在0.5Pa以下，获得Al₂O₃保护层。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤五中，采用光刻工艺和磁控溅射的方法在第二绝缘层9的上表面制备下电极10的方法为：

利用丙酮溶解第二绝缘层9上的光刻胶，剥离掉第一加热器焊盘5和第二加热器焊盘6区域第二绝缘层9，采用磁控溅射的方法在第二绝缘层9的上表面进行镀膜，靶材为99.99％的金，靶材的尺寸Φ60×2.5mm，在真空度达到1×10^-5Pa～2×10^-5Pa时，往溅射室通氩气，氩气的流量为15ml/min～25ml/min，氩气压强为1×10^-5Pa～2×10^-5Pa；

将光刻胶均匀涂在第二绝缘层9的上表面，将下电极10图案的掩模板盖在光刻胶表面的相应位置上，曝光15s～30s后，转移至显影液中显影20s～40s，在去离子水中漂洗20s～30s，然后，在100℃～120℃下坚膜30min～40min，将露出的金膜采用碘和碘化氨饱和溶液腐蚀掉，得到下电极10。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤六中，采用腐蚀镂空的方法对步骤五制备的下电极10的上表面和步骤一所述基底1的下表面分别进行镂空处理的方法为；

对步骤五制备的下电极10的上表面和步骤一所述基底1的下表面分别涂上光刻胶，然后在80℃～100℃下烘20min～40min，将以所述下电极10的上表面为制版图形的掩模版盖在下电极10的上表面上，将以镂空图形为制版图形的掩模版盖在基底1的下表面的相应位置上，双面曝光15s～30s，把曝光好的基底1放入显影液中显影20s～40s，在去离子水中漂洗20s～30s，再在100℃～120℃下坚膜30min～40min，在70℃～90℃的温度下，采用质量分数为35％～40％的氢氧化钾溶液对基底1的下表面进行镂空，形成凹槽13，凹槽13的深度约为350μm。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤七中，在镂空处理后的下电极10的上表面制备感湿层11的方法为：

将聚酰亚胺感湿溶液涂在下电极10的上表面，然后在80℃～100℃下恒温5min～10min；

将感湿薄膜图案为制版图形的掩膜板盖在下电极10的上表面，曝光15s～30s，然后在N,N－二甲基乙酰胺中显影20s～40s，在去离子水中漂洗20s～30s，然后在100℃～120℃下坚膜30min～40min，即得到感湿层11，感湿层11厚度约为1μm。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的探空仪用加热式湿度传感器的制备方法的进一步限定，步骤八中，采用蒸发镀膜机在感湿层11的上表面制备多孔上电极12的方法为：

蒸发原材料为金箔，采用多孔上电极12的图案为制版图形的掩膜版为模板，在蒸发镀膜机中成膜，蒸发电流110A～120A，蒸发时间5s～10s，即得到多孔上电极12。

采用本实施方式的制备方法，湿度传感器电容值约100pF～160pF。

具体实施方式十：本实施方式是一种湿度检测电路，

当高空湿度发生变化时，湿度传感器电容值随之发生变化，如果能够精确得到湿度传感器电容值的变化，就能够得到高空环境湿度的变化。在大多数情况下，电容式湿度传感器可以被认为是一个纯电容，但在高温、低温、高湿条件下工作时，湿度传感器电容损耗不能忽略，当工作在高频时，电感效应也不能忽略。因此，考虑湿度传感器的损耗和电感效应时，湿度传感器不能认为是一个纯电容，等效电路如图7所示。其中R_S为电路板引线以及极板间的电阻损耗，其值随着工作频率的增高逐步变大，R_S通常很小，即使工作频率在兆赫兹以上时也很小，所以只有当工作频率极高时才需要考虑R_S对测量结果的影响；L为湿度传感器自身的电感和外部引线的等效电感，自身的电感与其结构形式有关，外部引线等效电感则与引线长度有关，引线越短，电感越小；R_P为并联损耗电阻，包括极板间的介质损耗和漏电损耗，当湿度传感器工作在低频时，其损耗较大，随着工作频率的增高逐渐变小。湿度传感器电容总损耗系数可由式(8)表示。

$D=\frac{1}{R_p\mathrm{\ω}C}+R_s\mathrm{\ω}C,---\left(8\right)$

其中ω为圆频率。从图7中可知湿度传感器电容的等效电路是存在谐振频率的，当湿度传感器处于谐振频率时将不能正常工作，设计电路时需避开谐振频率，由式(8)中可知，第一项随着谐振频率的升高其值降低，第二项随着谐振频率的升高其值增大，所以存在最优频率f_b，使得总损耗系数D最小，可以通过对式(8)求最小值得到f_b，如式(9)所示。

$f_b=\frac{1}{2\mathrm{\π}C}\sqrt{\frac{1}{R_p{R}_s}},---\left(9\right)$

那么湿度传感器有效电容C_e可由式(10)表示。

$\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_e}=j\mathrm{\ω}L+\frac{1}{j\mathrm{\ω}C},---\left(10\right)$

湿度传感器电容实际变化量可由式(11)表示。

$\frac{{\mathrm{\ΔC}}_e}{C_e}=\frac{\mathrm{\Δ}C/C}{1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC},---\left(11\right)$

上式表明，湿度传感器自身的电感和外部引线的等效电感对湿度传感器电容值具有一定的影响。而且湿度传感器与地间的寄生电容及与引线间的寄生电容在低温环境下随温度的变化而变化。

针对上述问题，结合高空气象探测业务对湿度测量的要求，本实施方式提供了一种基于电容充放电及比较法的湿度检测电路，如图8所示。

所述湿度检测电路包括探空仪用加热式湿度传感器C_m、标准电容C_s、模拟电阻R_P、寄生电容C_P、电阻R1、电阻R2、三个运算放大器、2个单刀双掷开关和供电电源；

所述湿度传感器C_m的一端和标准电容C_s的一端同时接供电电源的地端，湿度传感器C_m的另一端与第一单刀双掷开关的一个静端连接，标准电容C_s的另一端与第一单刀双掷开关的另一个静端连接，

第一单刀双掷开关的动端与模拟电阻R_P的一端连接，模拟电阻R_P的另一端与寄生电容C_P的一端、电阻R1的一端和第一运算放大器的正向输入端同时连接供电电源的Vcc端，寄生电容C_P的另一端接供电电源的地端，

电阻R1的另一端接第二单刀双掷开关的动端，第二单刀双掷开关的一个静端接供电电源的Vcc端，第二单刀双掷开关的另一个静端接供电电源的地端，

第一运算放大器的信号输出端同时与电阻R2的一端同时和第一运算放大器的反向信号输入端连接，第一运算放大器的供电电源正极与供电电源的Vcc端连接，第一运算放大器的供电电源地端与供电电源的地端连接，电阻R2的另一端同时与第二运算放大器的正向信号输入端和第三运算放大器的正向信号输入端连接，第二运算放大器的反向信号输入端与供电电源的Vcc端连接，第三运算放大器的反向信号输入端与供电电源的Vcc端连接，

第二运算放大器的供电电源正极与供电电源的Vcc端连接，第二运算放大器的供电电源地端与供电电源的地端连接。

本实施方式中第二运算放大器和第三运算放大器均采用集成电路NE5532实现，第二运算放大器的反向信号输入端和第三运算放大器的反向信号输入端输入的电压范围为1.5v-2.5v，第一运算放大器采用集成电路CA3140实现，本实施方式中供电电源提供1.5v、2.5v和5v电压。

R_P为模拟开关导通电阻及引线电阻。由于湿度传感器与标准电容在同一测量回路，且湿度传感器与标准电容另一端与地连接，寄生电容C_P为湿度传感器及标准电容的接线寄生电容及与地之间的寄生电容。

当不对电容充电时，第二运算放大器和第三运算放大器(NE5532)输出都为零，当给电容充电时，两个运算放大器NE5532的同向输入端输入电压逐渐升高，当输入电压达到1.5V时，第二运算放大器的输出由低电平变为高电平，触发MCU外部中断，开始计时；当输入电压达到2.5V时，第三运算放大器的输出由低电平变为高电平，再次触发MCU外部中断，计时结束，这样就得到电容的充电时间。所以可以得到标准电容的充电时间T_sc，以及湿度传感器的充电时间T_mc，标准电容的电容值已知，假设为C_s，那么湿度传感器的电容值

对标准电容及湿度传感器在相同的情况分别进行充电，电容充放电曲线如图9所示。

其中T_C为充电时间，T_D为放电时间，V_m为充电饱和电压。假设标准电容从电压为V_s，充电至V_e所需的时间为T_sc，湿度传感器从电压为V_s，充电至V_e所需的时间为T_mc，标准电容的电容值为C_s，那么

$K_1{C}_m=T_{mc}\×\frac{K_2{C}_s}{T_{sc}},---\left(12\right)$

K₁为考虑模拟开关及引线电阻、寄生电容对湿度传感器电容值的影响，K₂为考虑模拟开关及引线电阻、寄生电容对标准电容值的影响，由于湿度传感器与标准电容在同一回路，K₁＝K₂，那么被测电容C_m可由式(13)得到。

$C_m=T_{mc}\×\frac{C_s}{T_{sc}},---\left(13\right)$

本实施方式具有很好的温度稳定性，能够有效的抑制温度漂移和零点漂移，减小了寄生电容对测量结果的影响。需要注意的是：考虑到分布电容及漏电流的影响，充电过程中电压不能选择0V～满量程区间；由于湿度传感器电容值在100pF～160pF之间，电容值较小，需合理调整充电时间常数，充电时间不易过长也不易过短，在保证较高的测量精度的同时缩短测量时间；充电电流不易过大，避免击穿湿度传感器；需选择具有高精度、较好的温度特性、高可靠性及稳定性的电容作为标准电容；充电电路中的运算放大器需具有较高的输入阻抗，较低的漏电流。

对本发明的地面试验：

常温特性测试：采用双压法湿度发生器进行了湿度测量静态实验。湿度传感器工作范围为0％RH～100％RH，根据测试点选取原则及样本空间大小选取原则，选取了10％RH、30％RH、50％RH、70％RH、90％RH 5个测试点，环境温度为+30℃，每个湿度点稳定20min后进行数据记录，相对湿度从10％RH上升至90％RH。实验结果如图10所示，拟合曲线表达式如(14)所示。

y＝2.336x-256.553， (14)

从实验结果中可得出，确定系数为0.9963，湿度测量结果具有较好的线性度，灵敏度为2.336％RH/pF，标准差σ＝1.917，电容测量分辨力为0.1pF，湿度测量分辨力约为0.2％RH。为了得到湿度测量的迟滞及重复性，进行了湿度上升及下降连续测试，实验结果如图11所示。

测试温度为+30℃，湿度变化范围为10％RH～90％RH，选取了10％RH、30％RH、50％RH、70％RH、90％RH 5个测试点，根据实验结果可知，湿度在上升过程与下降过程曲线的最大差值ΔH_M≈0.7％RH，满量程输出Y_FS＝100％RH，测量迟滞约为0.7％F·S，重复性约为1.9％。迟滞不确定度U_H≈0.35％，线性不确定度U_L＝3％，重复性不确定度U_R≈1.9％，那么总不确定度U≈4％。

温度交变特性测试：在不对湿度传感器进行加热控制的情况下，分别于+10℃、0℃、-10℃、-40℃，-70℃温度条件下进行静态实验。通过控制湿度传感器的加热功率，使得传感器表面温度在不同环境温度条件下都维持在+20℃～+30℃左右，从而保证湿度传感器具有较好的测量特性，避免湿度传感器表面结露，加热功率参照表1数据进行控制。从测试结果中可知，当湿度传感器在低温环境下工作时，通过对湿度传感器加热，使得湿度传感器表面温度高于环境温度，其测量特性得到了明显的改善，避免了传感器结露的现象。

当湿度传感器在+10℃、0℃、-10℃、-40℃，-70℃温度环境下工作时，通过对湿度传感器进行加热后其灵敏度、平均误差、迟滞、重复性如表2所示。

表2不同温度下加热湿度传感器后测量特性

工作温度	灵敏度	平均误差	迟滞	重复性
					+10	2.338％RH/pF	1.12％RH	1.16％F·S	1.94％RH
0	2.322％RH/pF	0.74％RH	0.93％F·S	1.93％RH
					-10	2.327％RH/pF	0.79％RH	1.40％F·S	1.89％RH
-40	2.261％RH/pF	1.13％RH	1.96％F·S	1.55％RH
					-70	2.182％RH/pF	1.40％RH	1.98％F·S	2.60％RH

时间常数测试：将自制的密封舱置于湿度发生器中，湿度传感器安装在密封舱内，通过电缆将湿度传感器的信号引出，通过控制密封舱内与密封盖连接的气缸的上下运动，可以控制密封舱的打开或关闭。设定湿度发生器的温度为+30℃，打开密封舱盖，设定湿度发生器初始湿度H₀＝30％，待湿度稳定后，关闭密封舱；设定湿度发生器的湿度H₁＝70％，待湿度稳定后，打开密封舱，同时每0.05s记录一次湿度值，假设某时刻t_n湿度传感器测得的湿度值H_n满足式(15)，那么t_n便是湿度传感器的时间常数。

$\frac{H_1-H_n}{H_1-H_0}=63.2\%,---\left(15\right)$

图12为湿度传感器时间常数测试结果。从测试结果中可知，湿度传感器时间常数约为0.5s，与国外先进的RS92型探空仪湿度传感器时间常数相同，优于目前国内正在使用的GTS1型探空仪湿度传感器时间常数。

本发明提供了一种具有蛇形加热器电极的平板夹心电容式湿度传感器结构及工艺制备方法，还提供了湿度检测电路，进行了地面特性实验。实验结果表明，设计的湿度传感器灵敏度约为2.3RH％/pF，迟滞约为0.7％F·S，重复性约为1.9％，测量总不确定度约为4％，时间常数约为0.5s，通过对传感器进行加热，使得湿度传感器在低温环境下能够保证其测量特性稳定，验证了该方法的科学性与有效性，为下一步工程化应用奠定技术基础。

Claims (1)

1.探空仪用加热式湿度传感器，其特征在于，它包括由基底(1)、第一绝缘层(2)、蛇形加热器电极(8)、第二绝缘层(9)、下电极(10)、感湿层(11)和多孔上电极(12)；其中，基底(1)的上表面铺设第一绝缘层(2)；在第一绝缘层(2)的上表面设置有蛇形加热器电极(8)；

所述蛇形加热器电极(8)包括第一加热器焊盘(5)、第二加热器焊盘(6)、第一引出电极、第一部分蛇形电极、第二部分蛇形电极、第三部分蛇形电极和第二引出电极；

第一引出电极的一端与第一部分蛇形电极的首端连接，第一部分蛇形电极的末端与第二部分蛇形电极的首端连接，第二部分蛇形电极的末端与第三部分蛇形电极的首端连接，第三部分蛇形电极的末端和第二引出电极的一端连接，第一引出电极的另一端与第一加热器焊盘(5)连接，第二引出电极的另一端与第二加热器焊盘(6)连接；

第一部分蛇形电极和第三部分蛇形电极在第二部分蛇形电极的两侧呈镜像对称，且第一部分蛇形电极的蛇形排布方向与第二部分蛇形电极的蛇形排布方向互相垂直；

所述第二绝缘层(9)铺设在蛇形加热器电极(8)上，并且露出第一加热器焊盘(5)和第二加热器焊盘(6)；

所述下电极(10)铺设在第二绝缘层(9)上；所述感湿层(11)铺设在下电极(10)上；所述多孔上电极(12)铺设在感湿层(11)上；所述基底(1)的下表面设置有经镂空后形成的凹槽(13)。