JP2020085900A - 相対湿度センサデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】感知コンデンサの静電容量に基づいて湿度データを取得し、費用、電力、および設置空間を減少させる、相対湿度センサデバイスを提供する。【解決手段】相対湿度センサデバイス１００は、マイクロコントローラ２０と、抵抗器１４に接続されている感知コンデンサ１２とを備える。マイクロコントローラは、抵抗器を通して感知コンデンサに接続されている出力と、感知コンデンサおよびカウンタに接続されている割込入力とを有するパルス幅変調器を備える。さらに、マイクロコントローラは、パルス幅変調器により抵抗器を通して感知コンデンサを周期的に充電および放電し、カウンタにより割込イベントの数を判定し、判定された割込イベントの数に基づいて感知コンデンサの充電時間を判定するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、相対湿度センサデバイスに関し、特に、相対湿度センサデバイスのセンサ要素からデータを取得する手段に関する。

適切な材料の抵抗変化および静電容量変化に基づいて、いくつかの技術により湿度を測定することができる。例えば、静電容量を測定することにより相対湿度（所与の温度における水の飽和蒸気圧に対する水蒸気の分圧の割合）を判定するための半導体ベースのシステムでは、コンデンサ誘電体として機能するポリマー材料の可逆的水吸収特性（reversible water absorption characteristics）に基づいて、湿度を測定することができる。

従来の容量相対湿度センサデバイスは、一般に、半導体基板と対の電極とを備え、電極は半導体基板の表面に形成され、特定の距離を挟んで互いに対向している。感湿性誘電体膜が、電極間に配置され、半導体基板の表面に形成される。膜の静電容量は湿度に応じて変化する。センサは、周囲湿度の変動に応じて対の電極間の静電容量の変化を検出することにより、湿度を検出する。静電容量感知型の湿度感知要素は、通常、非感湿性の非導電性構造を備え、適切な電極要素がこの構造に取り付けられまたは配置されると共に、誘電性の高感湿性材料の層または被覆が、電極を覆い、周囲大気から水を吸収して短時間で平衡を実現することができるように位置決めされる。

集積相対湿度センサデバイスの応答のオフセットおよび勾配を特定の値に設定して、センサの所望の値の精度を達成することができる。適切な調整およびデータ取得回路により、コンデンサ要素の蓄積電荷を読み出すことができる。この回路は、誘電体層の電荷の蓄積に応答して検出され、静電容量、したがって相対湿度の測定値を表すことのできる、発振器の直流電圧または振動周波数の変化を出力する。相対湿度および検出された温度に基づいて、絶対湿度および露点を判定することができる。したがって、例えば、車両のフロントガラスの露点を湿度センサデバイスにより判定することができる。

前述したように、一般に数百ｐＦの静電容量を有する感知コンデンサの静電容量の変動を測定するために、調整およびデータ取得回路を設ける必要がある。調整回路は、感知コンデンサの静電容量に応じて電圧または周波数を出力するために使用される何らかの特定用途向け集積回路または個別の発振器であってよい。しかしながら、現在の調整回路は、プリント集積回路基板に比較的大きい空間を必要とし、比較的高価で、比較的大きい駆動電流を要求する。

以上のことから、本発明の目的は、湿度感知デバイスにより感知コンデンサの静電容量に基づいて湿度データを取得する技術を提供すると共に、当技術分野の費用、電力、および設置空間についての比較的大きい要求を減少させる、この技術を実施する相対湿度センサを提供することである。

本発明は、請求項１に記載の相対湿度センサを提供することにより、上記の問題に対処する。したがって、マイクロコントローラと、抵抗器に接続されている感知コンデンサとを備える相対湿度センサデバイスが提供される。マイクロコントローラは、抵抗器を通して感知コンデンサに接続されている出力と、カウンタおよび感知コンデンサに接続されている割込入力とを有するパルス幅変調器（ＰＷＭ）を備える。コンデンサ電圧がマイクロコントローラの割込入力を通して監視される。カウンタを、マイクロコントローラで動作するソフトウェアカウンタとして実現することができる。
さらに、マイクロコントローラは、パルス幅変調器により抵抗器を通して感知コンデンサを周期的に充電および放電し（駆動電圧を供給することにより）、カウンタにより割込イベント（所定の閾値を超える割込入力、すなわち、高レベル閾値の割込入力／ピンにおける電圧入力により定義される）の数を判定し、判定された割込イベントの数に基づいて感知コンデンサの充電時間を判定するように構成されている。判定された感知コンデンサの充電時間に基づいて、環境の相対湿度を判定することができる。

ＰＷＭは、例えば８〜４０ＭＨｚの範囲で動作する高速の、例えば１６ビットタイマ／発振器を有し、約１２５ｎｓ〜２５ｎｓの時間分解能を可能にする。充電時間は、感知コンデンサにおいて一定のコンデンサ電圧に到達するための時間期間である。割込入力において入力電圧閾値以上の電圧入力が検出されるたびに、カウンタがインクリメントされる。これにより、ＰＷＭが提供するいくつかの周期的な充電時間および放電時間のサイクル中に生じる充電イベントの数、したがって個々の充電イベントの充電時間を判定することができる。
いくつかの充電プロセスおよび放電プロセスを考慮することにより、充電時間の判定時にノイズを低減させることができる。判定された充電時間およびコンデンサ電圧に基づいて、環境の相対湿度に応じた静電容量を判定することができる。静電容量は相対湿度に換算され、環境の相対湿度および温度（同様に相対湿度センサデバイスにより測定することができる）に基づいて、露点を判定することができる。提供されるセンサデバイスは、費用および設置空間に関して有利である。

実施形態によれば、マイクロコントローラは、以下のように構成されている。すなわち、マイクロコントローラは、第１の測定サイクルを提供し、第１の測定サイクル中に生じる割込イベントの数を判定するように構成されている。ここで、第１の測定サイクルは、ＰＷＭの出力におけるハイ状態のサブ期間とＰＷＭの出力におけるロー状態のサブ期間とから各々が構成されるｘ個の期間からなり、ｘは整数である。
判定された割込イベントの数がｘ／２以上であれば、マイクロコントローラは、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを減少させて、ハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得し、判定された割込イベントの数がｘ／２未満であれば、マイクロコントローラは、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを増加させて、ハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得するように構成されている。
マイクロコントローラは、ハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを用いて第２の測定サイクルを提供し、かつカウンタにより、第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数を判定し、判定された第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数に基づいて、感知コンデンサの充電時間を判定するように構成されている。
これにより判定された感知コンデンサの充電時間（判定された第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数に基づいて判定される）に基づいて、環境の相対湿度を判定することができる。

ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτ（ｎは整数（例えば、２または４よりも大きい）、τはＰＷＭの発振器期間）に従って減少させることができ、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτに従って増加させることができる。

特に、マイクロコントローラは、２つ以上の連続した測定サイクルについて判定された割込イベントの数がｘ／２未満の値とｘ／２以上の値とで切り替わっている、すなわち、ハイ状態のサブ期間として用いられるコンデンサの検索された充電時間について手順が安定していると判定されるまで、測定サイクル（第１の測定サイクル、第２の測定サイクル、第３の測定サイクル、第４の測定サイクルなど）の提供、割込イベントの数の判定、およびハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨ、Ｔ^３ _ＨＩＧＨ、Ｔ^４ _ＨＩＧＨの取得などを繰り返すように構成することができる。繰返しプロセス中、相対湿度を判定し、次第に高い精度でユーザに表示することができる。

繰返しプロセス中、調節ステップｎを一定に維持する必要はない。実際には、繰返しプロセスの最初に比較的大きい調節ステップｎを選択し、後で小さい調節ステップを選択することにより、繰返しプロセスを加速することができる。例えば、ハイ状態の第１のサブ期間Ｔ^１ _ＨＩＧＨ（Ｔ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτまたはＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτ）の調節をｎ＝１２８で行うことができ、ハイ状態の第２のサブ期間Ｔ^２ _ＨＩＧＨ（Ｔ^３ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^２ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτまたはＴ^３ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^２ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτ）の調節をｎ＝６４で行うことができ、ハイ状態の第３のサブ期間Ｔ^３ _ＨＩＧＨ（Ｔ^４ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^３ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτまたはＴ^４ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^３ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτ，）の調節をｎ＝３２で行うことができるなどとする。

実施形態によれば、相対湿度センサデバイスは、環境から遮蔽され、感知コンデンサに並列かつ抵抗器に直列に接続されている基準コンデンサをさらに備える。さらに、基準コンデンサは、感知コンデンサと同一のマイクロコントローラの割込入力に接続される。基準コンデンサを使用して、例えば、マイクロコントローラの自己発熱を補償することができる。感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を、以下の［数１］に基づき補正することができる。ここで、ＲＨ_Ｃｒｅｆは基準コンデンサ（３１６）により取得された相対湿度であり、ＫおよびＯは実験室測定により判定される。

さらに、相対湿度センサデバイスの感知コンデンサは完全なコンデンサではないことに留意する必要がある。むしろ、補正可能な何らかの寄生抵抗が存在する。実施形態によれば、マイクロコントローラは、感知コンデンサにより判定された相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ＝ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するように構成され、ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは感知コンデンサおよび基準コンデンサがマイクロコントローラによりそれを通して充電および放電される抵抗器の抵抗であり、Ｒｐは寄生抵抗器の抵抗である。

加えてまたはあるいは、相対湿度センサデバイスは、抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、感知コンデンサおよび基準コンデンサ（上記参照）の両方により取得された相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒをさらに補正して、さらなる補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ _ｃｏｒｒ＝ＲＨ^ｃｏｒｒ・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するように構成することができ、ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは抵抗器の抵抗である。

また、請求項１０に記載の、パルス幅変調器（ＰＷＭ）を含むマイクロコントローラと、抵抗器に接続され、かつマイクロコントローラの割込入力に接続されている感知コンデンサとを備える相対湿度センサデバイスにより、環境の相対湿度を判定する方法を提供することにより、上記の問題に対処する。方法は、第１の測定サイクル中にＰＷＭの電圧出力により感知コンデンサを周期的に充電および放電するステップと、マイクロコントローラの割込入力において割込イベントを検出およびカウントするステップと、判定された割込イベントの数に基づいて感知コンデンサの充電時間を判定するステップとを含む。さらに、判定された感知コンデンサの充電時間に基づいて、環境の相対湿度を判定することができる。

本発明の方法は、以下のステップをさらに含むことができる。
- ＰＷＭの出力におけるハイ状態のサブ期間とＰＷＭの出力におけるロー状態のサブ期間とから各々が構成されるｘ個の期間からなり、ｘは整数である第１の測定サイクルを提供するステップ。
- 判定された割込イベントの数がｘ／２以上であれば、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを減少させて、ハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得し、判定された割込イベントの数がｘ／２未満であれば、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを増加させて、ハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得するステップ。
- ハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを用いて第２の測定サイクルを提供するステップ。
- カウンタにより、第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数を判定し、判定された第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数に基づいて、感知コンデンサの充電時間を判定するステップ。
これにより判定された（すなわち第２の測定サイクルについての）感知コンデンサの充電時間に基づいて、環境の相対湿度を判定することができる。

継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨの調節は、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτ（ｎは整数、τはＰＷＭの発振器期間）に従って減少させ、ハイ状態のサブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτに従って増加させることにより行うことができる。

上記ステップを繰り返すことにより、相対湿度が正確に判定される。実施形態によれば、方法は、２つ以上の連続した測定サイクルについて判定された割込イベントの数がｘ／２未満の値とｘ／２以上の値とで切り替わっていると判定されるまで、測定サイクルの提供、割込イベントの数の判定、およびハイ状態のサブ期間の調節済み継続時間の取得を繰り返すステップをさらに含む（以下の詳細な説明も参照）。

さらに、実施形態による方法は、マイクロコントローラの作業負荷、特に、マイクロコントローラの自己発熱および容量センサ要素の寄生抵抗により生じるエラーを補正することができる。したがって、上記の例のうちの１つによる方法は、以下のステップをさらに含むことができる。
ａ）感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、以下の［数１］に基づき補正相対湿度値を取得するステップ。ここで、ＲＨ_Ｃｒｅｆは、環境から遮蔽され、感知コンデンサに並列に接続され、かつマイクロコントローラの割込入力に接続されている基準コンデンサ（３１６）により取得された相対湿度である。ＫおよびＯは実験室測定により判定される。
および特に、抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒをさらに補正して、さらなる補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ _ｃｏｒｒ＝ＲＨ^ｃｏｒｒ・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するステップ。

および／または
ｂ）抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ＝ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するステップであって、ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは抵抗器（１４、３１４）の抵抗である、ステップをさらに含むことができる。 これにより補正された相対湿度の値を、例えば、ディスプレイにより、相対湿度センサデバイスのユーザに提示することができる。

さらに、相対湿度センサデバイスのマイクロコントローラにおいて動作するときに、前述の実施形態のうちの１つによる方法のステップを実行するための、コンピュータにより実行可能な命令を有する１つまたは複数のコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品が提供される。

図面を参照しながら、本発明のさらなる特徴および利点について説明する。説明において、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照する。そのような実施形態は、本発明の完全な範囲を示すものではないことを理解されたい。

本発明の実施形態による、マイクロコントローラと、感知コンデンサを備える相対湿度センサ要素、およびマイクロコントローラが感知コンデンサを充電および放電するときに通る抵抗器との接続を示す概略図である。 本発明の実施形態による、相対湿度センサのマイクロコントローラの割込入力における割込閾値電圧を示す図である。 本発明の実施形態による、感知コンデンサの充電時間を判定するためのアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の実施形態による、感知コンデンサの充電時間の測定を示す図である。 基準コンデンサを備える湿度センサの別の実施形態を示す図である。 寄生抵抗器を備えるセンサ要素を示す図である。

本発明は、マイクロコントローラと容量センサ要素とを備える相対湿度センサを提供する。湿度センサは、環境における相対湿度および露点を判定することができる。図１は、湿度センサ１００の実施形態の一部を示す。湿度センサ１００は、感知コンデンサ１２を含むセンサ要素１０を備える。感知コンデンサ１２は抵抗器１４に直列に接続される。抵抗器１４は数百キロオーム、例えば、４７０キロオームのものであってよい。

感知コンデンサ１２は、周囲条件の湿度に応じた可変容量を有する。例えば、感知コンデンサ１２は、窒化ケイ素膜および感湿膜により各々覆われている対の電極を備える。感湿膜を電極間に配置し、電極（窒化ケイ素膜上に形成されている）を覆うこともできる。電極間の静電容量は、センサ周囲の大気の湿度によって変化し得る。静電容量に基づいて、湿度センサ１００により湿度が検出される。感湿膜を、ポリイミドおよび酪酸アセチルセルロースなどの吸湿性有機ポリマーから形成することができる。感知コンデンサ１２は、０％〜１００％の全範囲の相対湿度について１６０ｐＦ〜２００ｐＦの範囲で変動する静電容量を有することができる。

湿度センサ１００は、マイクロコントローラ２０をさらに備える。マイクロコントローラ２０は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）２２、例えば、１６ビットタイマＰＷＭを備える。ＰＷＭ出力は駆動電圧Ｖ_ｄｄを提供し、この駆動電圧Ｖ_ｄｄを用いて、ＰＷＭ２２のタイマクロックにより自動制御される感知コンデンサ１２を充電および放電する。パルス幅変調器（ＰＷＭ）２２により高速タイマクロックが可能になり、パルス幅変調器（ＰＷＭ）２２は８〜４０ＭＨｚの周波数で動作することができる。例えば３２ＭＨｚのタイマ速度で、測定点ごとに約３１ｎｓの時間分解能（タイマ期間）τを、１０μｓの時間測定範囲における３００の測定点について達成することができる。これにより、約１００μｓの感知コンデンサ１２の充電継続時間の検出が可能になる。
ＰＷＭ出力がハイ状態にあるとき、感知コンデンサ１２は抵抗器１４を通して充電され、ＰＷＭ出力がロー状態にある（マイクロコントローラ２０が短絡として機能している）とき、感知コンデンサ１２は抵抗器１４を通して放電される。

さらに、マイクロコントローラ２０は、ソフトウェアカウンタに接続されている割込入力２４を備え、接地接続２６を含む。コンデンサ電圧が、マイクロコントローラ２０の割込２４により監視される。図２の上段に示すように、監視された電圧が充電プロセス中に所定の入力閾値電圧（割込閾値電圧）Ｖｉｎに到達しない場合には、割込は生じないため、割込入力２４に接続されているソフトウェアタイマはインクリメントされない。他方、図２の下段に示すように、監視された電圧が充電プロセス中に所定の入力閾値電圧Ｖｉｎに到達したまたはこれを超えた場合には、割込が起動されるため、割込入力２４に接続されているソフトウェアタイマがインクリメントされる。

本発明によれば、ＰＷＭ２２の発振器期間τ（タイマ単位）または複数のタイマ期間τ（例えば、選択された振動周波数に応じてτ＝３０ｎｓ〜５０ｎｓ）までの精度で、感知コンデンサ１２を充電する時間を判定することができる。使用される感知コンデンサ１２の相対湿度に対する静電容量の関数依存性が予めわかっているため、判定された充電時間（および到達した定電圧）から、相対湿度を導き出すことができる。入力閾値電圧Ｖｉｎまたはそれを超える電圧をマイクロコントローラ２０の割込入力２４に供給する必要のある、マイクロコントローラ２０のＰＷＭ２２のハイ状態の継続時間から、充電時間を判定することができる。デューティサイクル（ハイサブ期間およびローサブ期間を交互に含むハイ−ローサイクル）を調節することにより、割込を検出する必要のあるハイ状態の継続時間を正確に判定することができる。

図３は、本発明の実施形態による、感知コンデンサ１２の充電時間を判定するためのアルゴリズムのフローチャートである。ＰＷＭ２２の出力におけるハイ状態の第１の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを有する第１の測定サイクルが実行され（ステップ２００）、サイクルは、２または４より大きい整数であるｘの期間Ｔ、例えば、ｘ＝１０の期間Ｔを含み、各期間は、ＰＷＭ２２の出力におけるハイ状態の１つのサブ期間とＰＷＭ２２の出力におけるロー状態のサブ期間とから構成される。その後の充電プロセスにエラーを生じさせないために、感知コンデンサ２２の完全な放電が保証されるように期間Ｔを選択する必要がある。例えば、Ｔ＝１ｍｓまたはＴ＝２ｍｓとする。ＰＷＭ期間Ｔをタイマ期間抵抗器に設定することができ、ハイ状態の第１の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをタイマ出力比較抵抗器に設定することができ、ロー状態の継続時間はこれらの設定の結果として与えられることに留意されたい。

第１の測定サイクル中に生じる割込の数が判定される（ステップ２１０）。判定された割込の数に応じて、ハイ状態の第１の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨが調節されて（ステップ２２０）、第２の測定サイクルで用いるハイ状態の第２のＴ^２ _ＨＩＧＨを取得する（ステップ２３０）。判定された割込の数がｘ／２、例えば５以上であれば、Ｔ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτ（ｎは整数）となる。判定された割込の数がｘ／２、例えば５未満であれば、Ｔ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτとなる。

第２の測定サイクルにおいて、割込の数が再び判定される（ステップ２４０）。ここでも、判定された割込の数に応じて、ハイ状態の継続時間（今度はＴ^２ _ＨＩＧＨ）が調節される。２つ以上の連続した測定サイクルにおいてハイ状態の２つの継続時間が切り替わることにより、判定された割込の数が交互にｘ／２超（またはｘ／２）およびｘ／２未満になるまで、手順が繰り返される（Ｔ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτまたはＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτ、Ｔ^３ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^２ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτまたはＴ^３ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^２ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτ、Ｔ^４ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^３ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτまたはＴ^４ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^３ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτなどにより）。この安定した繰返しの最終状態において、充電時間が精度ｎτで判定される。繰返しにより得られる調節済みのハイ状態の値が、直接、充電時間についての生の値となる。

ハイ状態の第１の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨ（ハイ状態のサブ期間の継続時間）、ハイ状態の第２の継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨ、ハイ状態の第３の継続時間Ｔ^３ _ＨＩＧＨなどの調節がτ（ｎ＝１）のステップで行われる場合、前述の繰返し手順はかなり低速になり、電力を消費する。繰返し手順を加速するために、変動するステップサイズｎを選択することができ、例えば、ｎ＝１２８から始まって第１の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを調節し、ｎ＝６４を設定して第２の継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを調節し、その後の調節ステップでｎ＝３２、１６、８、４、２、１を設定する。さらに、実験室条件下の相対湿度５０％に対応するＴ^１ _ＨＩＧＨに関して繰返し手順を開始してもよい。これらの動作を実施することにより、通常、１０未満の繰返しステップのみで繰返し手順を完了することができる。

測定手順をさらに図４に示す。上段は、マイクロコントローラ２０のＰＷＭ２２の出力が交互にハイ状態およびロー状態になる様子を示す。下段は、複数の期間Ｔにわたる充電プロセスおよび放電プロセスの対応する電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を示す。充電はステップ１で（サブ期間Ｔ_１の時間にわたって）行われ、放電はステップ２で行われる。図４に示す例において、充電期間Ｔ_１のそれぞれの終了時の２つの時間に入力閾値電圧Ｖｉｎに到達する（Ｖｉｎ＝１）。到達した定電圧Ｖｉｎおよび判定された充電時間から、静電容量、したがって相対湿度を判定することができる。特定の例によれば、前述の手順により、相対湿度０％についてのＴ_１＝９５μｓ（３０３５のタイマ期間τ＝３１ｎｓに対応する）から相対湿度１００％についてのＴ_１＝１０５μｓ（３３５４のタイマ期間τ＝３１ｎｓに対応する）が得られる。
これらの値について、相対湿度％＝１００（充電に必要な判定されたタイマ期間τの数−３０３５）／（３３５４−３０３５）に従って他の相対湿度値が判定される。

例えば、マイクロコントローラの負荷により、かつ自己発熱による温度変化により、割込入力２４の入力閾値電圧Ｖｉｎが時間と共にわずかに変化し得ることに留意する必要がある。実施形態による充填入力閾値電圧Ｖｉｎを考慮するために、図５に示すように基準コンデンサ３１６が設けられる。図５に示す湿度センサ３００は、感知コンデンサ３１２と感知コンデンサ３１２に並列に接続されている基準コンデンサ３１６とを含むセンサ要素３１０を備える。感知コンデンサ３１２および基準コンデンサ３１６の両方が、コンデンサの充電および放電を行うときに通る抵抗器３１４に直列に接続される。感知コンデンサ３１２は、図１に示すもの（参照符号１２参照）と同一であってよく、抵抗器３１４は図１に示すもの（参照符号１４）と同一であってよい。
基準コンデンサ３１６は、一定の容量を有し、例えば相対湿度５５％に相当する１８０ｐＦの容量を有することができる。感知コンデンサ３１２とは異なり、基準コンデンサ３１６は、感知コンデンサ３１２により相対湿度を感知する環境から遮蔽される。

図５に示す湿度センサ３００は、マイクロコントローラ３２０をさらに備える。マイクロコントローラ３２０は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）３２２、例えば、１６ビットタイマＰＷＭを備える。ＰＷＭ出力を用いて、ＰＷＭ３２２のタイマクロック／発振器により自動制御される感知コンデンサ３１２を充電および放電する。ＰＷＭ３２２は、図１に示すもの（参照符号２２参照）と同一であってよい。感知コンデンサ３１２および基準コンデンサ３１６は、マイクロコントローラの同一の割込入力３２４に接続される。感知コンデンサ３１２または基準コンデンサ３１６の測定が、接続Ｓｅｌ＿ＲｈおよびＳｅｌ＿Ｒｅｆによりそれぞれ制御される。例えば、感知コンデンサ３１２はＳｅｌ＿Ｒｈ＝レベル１およびＳｅｌ＿Ｒｅｆ＝レベル０について測定され、基準コンデンサ３１６はＳｅｌ＿Ｒｈ＝レベル０およびＳｅｌ＿Ｒｅｆ＝レベル１について測定される。

較正された基準コンデンサ３１６は環境に対して遮蔽されるため、基準コンデンサ３１６によって行われた測定による変動する測定結果は、特にマイクロコントローラ３２０の自己発熱による割込入力３２４の入力閾値電圧Ｖｉｎの変動を反映する。したがって、基準コンデンサ３１６によって行われた測定による測定結果を用いて、感知コンデンサ３１２によって行われた測定による測定結果を入力閾値電圧Ｖｉｎの変動の影響について補償することができる。補償は、相対湿度および温度が正確に調整される、完全に制御された閉鎖実験室環境における測定により、定量的に判定することができる。

一例によれば、環境の補正相対湿度ＲＨ^ｃｏｒｒを、基準コンデンサ３１６により取得した相対湿度（生データ）ＲＨ_Ｃｒｅｆの測定、および感知コンデンサ３１２により取得した相対湿度（生データ）ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}の測定から、以下の［数１］に基づき判定することができる。ここで、勾配ＫおよびオフセットＯ（較正係数）は温度依存性であり、実験室測定から判定される。実験室環境に設けられた、完全に較正された制御センサにより行われる比較測定は、これにより判定された相対湿度ＲＨ^ｃｏｒｒの補正値が−４５℃〜４５℃の温度範囲で約３％のエラー範囲内で補正されることを証明している。基準コンデンサ３１６による測定ＲＨ_Ｃｒｅｆも、基準コンデンサ３１６の一定容量に相当する相対湿度、すなわち、前述の例における相対湿度５５％に対応するＴ^１ _ＨＩＧＨから適切に始まって、前述の繰返し手順をたどる。

繰返しプロセスを完全化／安定化した後、連続測定を行って、相対湿度および／または露点を連続的に監視することができる。例えば、感知コンデンサ３１２により、例えば８τ、４τ、２τ、および１τの調節ステップで４つの測定を１秒ごとに行い、基準コンデンサ３１６により、２τおよび１τの調節ステップで２つの測定を行うことができる。さらに、次の測定サイクルにおいて調節方向（正または負）が感知コンデンサ３１２の４つの測定にわたって一定であると判定された場合、より大きいステップ、例えば３２τ、１６τ、８τおよび４τを選択して、相対湿度および／または露点のより粗い推定値を高速で出力し、その後、より小さい調節ステップに基づいて微調整することができる。

別の実施形態によれば、測定された相対湿度をさらに補正することができる。実際には、図１に示す湿度センサデバイス１００のセンサ要素１０と図５に示す湿度センサデバイス３００のセンサ要素３１０とは、完全な感知コンデンサ１２、３１２をそれぞれ備えていない。むしろ、図６に示すように、何らかの寄生抵抗器４００が存在する（感知コンデンサ１２、３１２に並列）。寄生抵抗は、製造プロセスによって決まり、５メガオーム〜３０メガオームで変動し得る。
したがって、ＰＷＭ２２、３２２がドライバ電圧Ｖ_ｄｄで充電するとき、感知コンデンサ１２、３１２は抵抗器１４、３１４を通して、Ｖ_ｄｄではなくＶ_ｄｄ・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}で充電される。Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、ここで、Ｒ_Ｐは寄生抵抗器４００の抵抗であり、Ｒは抵抗器１４、３１４の抵抗である。その後、測定された相対湿度ＲＨをＲＨ^ｃｏｒｒ＝ＲＨ・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}により補正することができる。Ｒ_ｐ＝５メガオームの寄生抵抗器４００の抵抗について、例えば、補正係数Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝０．９１を考慮する必要がある。補正係数Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}は、感知コンデンサ１２、３１２の完全充電後にＶｉｎの測定から計算することができる。

前述の実施形態により、費用および空間を節約した実施が可能になり、前述の実施形態は、特に、例えば自動車の適用に使用可能な相対湿度センサの大量生産に適している。

前述の実施形態のすべては限定するものではなく、本発明の特徴および利点を示す例として機能する。前述の特徴の一部またはすべてを様々な方法で組み合わせることもできることを理解されたい。

Claims (15)

1. 相対湿度センサデバイス（１００、３００）であって、
   前記相対湿度センサデバイス（１００、３００）は、
   - マイクロコントローラ（２０、３２０）と、
   - 抵抗器（１４、３１４）に接続されている感知コンデンサ（１２、３１２）と、を備えており、
   前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、前記抵抗器（１４、３１４）を通して前記感知コンデンサ（１２、３１２）に接続されている出力と、前記感知コンデンサ（１２、３１２）およびカウンタに接続されている割込入力（２４、３２４）とを有するパルス幅変調器（ＰＷＭ）（２２、３２２）を備え、
   前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、前記パルス幅変調器（２２、３２２）により前記抵抗器（１４、３１４）を通して前記感知コンデンサ（１２、３１２）を周期的に充電および放電し、前記カウンタにより割込イベントの数を判定し、前記判定された割込イベントの数に基づいて前記感知コンデンサ（１２、３１２）の充電時間を判定するように構成されている、
   相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
2. 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、
   - 前記ＰＷＭの前記出力におけるハイ状態のサブ期間と前記ＰＷＭの前記出力におけるロー状態のサブ期間とから各々が構成されるｘ個の期間からなり、ｘは整数である第１の測定サイクルを提供し、
   - 前記第１の測定サイクル中に生じる割込イベントの数を判定し、
   - 前記判定された割込イベントの数がｘ／２以上であれば、前記ハイ状態の前記サブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを減少させて、前記ハイ状態の前記サブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得し、前記判定された割込イベントの数がｘ／２未満であれば、前記ハイ状態の前記サブ期間の前記継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを増加させて、前記ハイ状態の前記サブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得し、
   - 前記ハイ状態の前記サブ期間の前記調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを用いて第２の測定サイクルを提供し、かつ
   - 前記カウンタにより、前記第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数を判定し、判定された前記第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数に基づいて、前記感知コンデンサの充電時間を判定するように構成されている、
   請求項１に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
3. 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、前記ハイ状態の前記サブ期間の前記継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτ（ｎは整数、τはＰＷＭの発振器期間）に従って減少させ、前記ハイ状態の前記サブ期間の前記継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτに従って増加させるように構成されている、
   請求項１に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
4. 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、２つ以上の連続した測定サイクルについて前記判定された割込イベントの数がｘ／２未満の値とｘ／２以上の値とで切り替わっていると判定されるまで、測定サイクルの提供、および前記割込イベントの数の判定、および前記ハイ状態の前記サブ期間の調節済み継続時間の取得を繰り返すように構成されている、
   請求項２または３に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
5. 前記整数ｎは、１つの繰返しステップから他の繰返しステップにかけて減少される、
   請求項４に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
6. 基準コンデンサ（３１６）をさらに備え、
   前記基準コンデンサ（３１６）は、環境から遮蔽され、前記感知コンデンサ（３１２）に並列かつ前記抵抗器（３１４）に直列に接続され、かつ前記マイクロコントローラ（１００、３００）の前記割込入力（２４、３２４）に接続されている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
7. 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、前記感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、以下の［数１］に基づき補正相対湿度値を取得するように構成され、ここで、ＲＨ_Ｃｒｅｆは前記基準コンデンサ（３１６）により取得された相対湿度であり、ＫおよびＯは実験室測定により判定される、
   請求項６に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
   
   

   
8. 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、前記感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された前記相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ＝ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するように構成され、ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは前記抵抗器（１４、３１４）の抵抗である、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
9. 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）は、抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、前記補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒをさらに補正して、さらなる補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ _ｃｏｒｒ＝ＲＨ^ｃｏｒｒ・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するように構成され、ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは前記抵抗器（１４、３１４）の抵抗である、
   請求項７に記載の相対湿度センサデバイス（１００、３００）。
10. パルス幅変調器（ＰＷＭ）（２２、３２２）を含むマイクロコントローラ（２０、３２０）と、抵抗器（１４、３１４）に接続され、かつ前記マイクロコントローラ（２０、３２０）の割込入力（２４、３２４）に接続されている感知コンデンサ（１２、３１２）とを備える相対湿度センサデバイスにより、環境の相対湿度を判定する方法であって、
    - 第１の測定サイクル中に前記ＰＷＭ（２２、３２２）の電圧出力により前記感知コンデンサ（１２、３１２）を周期的に充電および放電するステップと、
    - 前記マイクロコントローラ（２０、３２０）の前記割込入力（２４、３２４）において割込イベントを検出およびカウントするステップと、
    - 前記カウントされた割込イベントの数に基づいて前記感知コンデンサ（１２、３１２）の充電時間を判定するステップと、
    を含む方法。
11. - 前記ＰＷＭの出力におけるハイ状態のサブ期間と前記ＰＷＭの前記出力におけるロー状態のサブ期間とから各々が構成されるｘ個の期間からなり、ｘは整数である前記第１の測定サイクルを提供するステップと、
    - 前記判定された割込イベントの数がｘ／２以上であれば、前記ハイ状態の前記サブ期間の継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを減少させて、前記ハイ状態の前記サブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得し、前記判定された割込イベントの数がｘ／２未満であれば、前記ハイ状態の前記サブ期間の前記継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨを増加させて、前記ハイ状態の前記サブ期間の調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを取得するステップと、
    - 前記ハイ状態の前記サブ期間の前記調節済み継続時間Ｔ^２ _ＨＩＧＨを用いて第２の測定サイクルを提供するステップと、
    - 前記カウンタにより、前記第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数を判定し、判定された前記第２の測定サイクル中に生じる割込イベントの数に基づいて、前記感知コンデンサの充電時間を判定するステップと、をさらに含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記ハイ状態の前記サブ期間の前記継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ⁻ｎτ（ｎは整数、τは前記ＰＷＭの発振器期間）に従って減少させ、前記ハイ状態の前記サブ期間の前記継続時間Ｔ^１ _ＨＩＧＨをＴ^２ _ＨＩＧＨ＝Ｔ^１ _ＨＩＧＨ ^＋ｎτに従って増加させるステップを含む、
    請求項１０または１１に記載の方法。
13. ２つ以上の連続した測定サイクルについて前記判定された割込イベントの数がｘ／２未満の値とｘ／２以上の値とで切り替わっていると判定されるまで、測定サイクルの提供、および前記割込イベントの数の判定、および前記ハイ状態の前記サブ期間の調節済み継続時間の取得を繰り返すステップをさらに含む、
    請求項１１または１２に記載の方法。
14. ｃ）前記感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、以下の［数１］に基づき補正相対湿度値を取得するステップであって、ここで、ＲＨ_Ｃｒｅｆは、環境から遮蔽され、前記感知コンデンサに並列に接続され、かつ前記マイクロコントローラの前記割込入力に接続されている基準コンデンサ（３１６）により取得された相対湿度であり、ＫおよびＯは実験室測定により判定される、ステップ、および特に、
    抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、前記補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒをさらに補正して、さらなる補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ _ｃｏｒｒ＝ＲＨ^ｃｏｒｒ・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するステップであって、ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは前記抵抗器（１４、３１４）の抵抗である、ステップ、
    および／または
    ｄ）抵抗Ｒ_ｐを有する寄生抵抗の影響について、前記感知コンデンサ（１２、３１２）により判定された前記相対湿度ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}を補正して、補正相対湿度値ＲＨ^ｃｏｒｒ＝ＲＨ_{Ｃｓｅｎｓ}・Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}を取得するステップであって、
    ここで、Ｖ_{ｆａｃｔｏｒ}＝Ｒ_ｐ／（Ｒ_ｐ＋Ｒ）であり、Ｒは前記抵抗器（１４、３１４）の抵抗である、ステップをさらに含む、
    請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
    

    
15. 相対湿度センサデバイスのマイクロコントローラにおいて動作するときに、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法のステップを実行するための、コンピュータにより実行可能な命令を有する１つまたは複数のコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品。

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