假设 K 为 A3 后端电阻间的分压比，则 KU4、U5、 U6 输出波形如图 6 所示。
图 4 微小电容测量电路图
电容 C1 和待测电容 Cf 分别通过二极管 D1、D2 回路连接到积分器 A1，在实际电路中 R1=R2=R3，运 放 A2 表面上是一个比例系数为-1 的加法器，由于 D1 和 D2 不可能同时导通，A2 实际上是一个反向电压 跟随器。运放 A3 在这里作为比较器使用。电压输 出波形如图 5 所示。
gent. Temperature sensors are hard to keep up with people’s needs. This article through the micropore surface struc⁃
ture optimization design of the humidity sensor and the humidity sensitive material improves the humidity sensing
汤 辰，万 衡*，王凯凯
（上海应用技术学院 电气与电子工程学院，上海 201418）
摘 要：随着工业的快速发展，对温度检测和控制日益严格，温度传感器已无法跟上人们的需求，通过优化湿度传感器的表
面结构和对感湿材料微孔设计提高了感湿特性，增强感湿材料的感湿特性，并对湿度传感器测量电路进行改进，提高微小电容
1 湿敏电容结构设计
1.1 微孔设计
根据 Fick 扩散第二法则和 Darcy 流动法则，水
分子在微孔中的扩散过程可用式（1）表示：
————————————
收稿日期：2015-07-15
修改日期：2015-08-14
∑ Mt
/M sat
=
1
-
8 π2
∞
1
m = 0 (2m +
1)2
exp
éë
π2
D(2m
以后，有效介电常数的变化由式（2）给出：
Δεr ≈ KPRH εH2o
（2）
式中：K 为比例系数，RH 为相对湿度，P 为感湿膜的
气孔率。又因电容的变化与 εr 有关，也就与相对湿
度有关，可以给出当相对湿度改变时，电容发生的
相对变化为：
ΔCp
=ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ε0Δεr
A d
=
KPRH
ε H2O ε0
A d
（3）
感湿材料的微孔设计对湿度测量结果有直接
+
1)2
tù lû
（1）
式中：Mt 为 t 时的吸收量；Msat 为完全浸润时的吸 收量；l 为厚度；m 为微孔的数量；D 为扩散系数，其
中 D 与微孔的直径和体积的分布相关。
从上述公式可以看出水分子在感湿材料扩散，
和感湿材料微孔的数量和大小有直接关系。同时
再根据聚酰亚胺的感湿机理，发现当环境湿度改变
微小电容测量电路的难点在于杂散电容的影 响以及电磁干扰［8］，改进后的电路设计如图 4 所示， 在待测电容两端并联一个电容，组成一组差动电容 结构，有效地降低共模信号干扰影响，其次，电路使 用迟滞比较器，可有效的防止信号毛刺而引起的电 路误操作。
积分程线性上升，直至 U1 的电压上升至 0 V，D1 关 闭，D2 导通，差比电容 C1 开始放电，（T2 工作状态）。 使得 U1 的电压按 Rf 和 C1 积分程线性上升，直至 U1 的电压上升到 +Uom ，正电平信号使得比较器 A3 输 出电压由负变为正，输出 +Uz ，差比电容 C1 处于充 电状态，（T3 工作状态）。使得 U1 的电压按 Rf 和 C1 积分呈线性下降，直至 U1 的电压下降到 0 V，D1 导 通，D2 关闭，（T4 工作状态）待测电容 Cf 处于充电状 态，如此反复工作。
测量，设计湿度测试系统。通过实验验证了改进后的湿度传感器测量效果更优越。
关键词：高分子；湿敏电容；湿度测量；湿度传感器
中图分类号：TP253
文献标识码：A
文章编号：1005-9490（2016）03-0571-05
随 着 我 国 的 经 济 快 速 发 展 ，许 多 行 业 诸 如 电 力、电子石化、冶金、医疗、航空航天等对湿度测量 的精度要求越来越严格，湿度测量逐渐成为一门重 要的研究领域。湿度传感器从简单化向集成化、多 参数化、智能化方向迅速发展［1］。高分子湿敏电容 作为第三代的湿度传感器迅速发展起来，但目前电 容型湿度传感器在实际应用中常存在线性差、湿滞 大、精度低、成品率低、性能不稳定等缺点，特别在 低湿范围（0.2%RH~10%RH）内电容量几乎上没有 变化，易出现失灵现象。鉴于此，本文重点从湿敏 电容结构设计和对湿度测量电路改进两个方面提 高湿度传感器测量特性。
第3期
汤 辰，万 衡等：高分子电容型湿度传感器研制
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态测量，不适合连续测量可变电容值，且其精度不 高。直流充放电法采用的是直流放大，存在较大的 漂移，且充放电是由 CMOS 开关控制，存在电荷注入 问题。交流法测量范围 0.1 pF~1.0 pF，可以有效地 抑制电路的直流漂移，具有很强的抗杂散电容能力， 在很多的精密仪器设计中都有广泛的应用［7］。
Key words：high polymer；humidity sensitive capacitor；moisture measurement；humidity sensor
EEACC：7230；7320R
doi：10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.014
高分子电容型湿度传感器研制
第 39 卷 第 3 期 2016 年 6 月
电子器件
Chinese Journal of Electron Devices
Vol������ 39 No. 3 June 2016
Research on High Polymer Capacitive Humidity Sensor
TANG Chen，WAN Heng*，WANG Kaikai
图 6 电压调节输出波形
在 T1 时间内，待测电容 Cf 保持充电，充电电流
为 (UZ - U ) off1 /Rf ，U3 电 压 由 (KUz - U ) off4 上 升 至
(Uz - U ) off3 。根据欧姆定律：
-
1 Cf
UZ
-U Rf
off1
*T1*æèç
-
R3 R1
ö
÷
ø
=
(UZ
-
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）
Abstract：With the rapid development of industry，the temperature sensing and controling are increasingly strin⁃
(-Uz - U ) off3 。根据欧姆定律：
1 C1
UZ
+U Rf
off1·T2·æèç
-
R3 R2
ö
÷
ø
=
(-U
Z
-
U
) off3
-
(-KU
z
-
Uoff4)（6）
则：
T2
=
C1R2 Rf R3
(1
-
K)Uz + Uoff3 UZ + Uoff1
Uoff4
（7）
由 式（5）和 式（7）可 得 到 电 容 和 时 间 周 期 的 关
宽度过窄，在工艺制作中容易出现问题，若光刻胶保 护处理不好，会出现上电极整个严重腐蚀，造成上电 极图形全被“揭掉”；如果刻蚀的时间过长会造成线条 断裂和上电极图形破坏现象；若刻蚀的时间过短会出 现刻蚀不透问题。这些对工艺制备造成很大困难。 最后经分析设计了新型的结构。将图 1 中栅条的长 宽高比适当进行缩小，条栅形机构图（如图 2）和格栅 形结构图（如图 3）。为了避免在腐蚀上电极过程的 侧向腐蚀造成的栅条变细或者断裂的问题，设计的线 条宽度为 3 μm，线条间的间距为 2 μm。因为在腐蚀 过程中侧向腐蚀是无法避免的，所以腐蚀出来的线条 间距和宽度基本上还是相等的。
图 2 栅型上电极结构设计
图 3 格栅形上电极结构
2 湿度测量电路
图 1 栅条状“十”字形图
在栅条状“十”字形图中，上电极图形内每个栅条 基本上是一个长宽高之比为 500∶1∶1 的长方体，由于
2.1 微小电容测量电路 电容型传感器性能［4］很大程度上还取决于其测
量电路的性能，目前对电容微小变化测量技术正处 于不断的完善中。根据电容测量与处理方法［5］大致 可分为：振荡法、谐振法、直流充放电法、交流法。振 荡法测量精度高，可达到 0.01 pF，测量频率范围宽， 灵敏度高，稳定性好，受杂散电容影响较小［6］，但此 方法需要一个低温漂移、高阻抗的运算放大器。谐 振法是一种手工测量方法，动态特性差，难于实现动
U ) off3
- (KU z
-
Uoff4)（4）
则：
T1
=
Cf
R1 R f R3
(1
-
K)Uz - Uoff3 + UZ - Uoff1
Uoff4
（5）
在 T2 时间内，差比电容 C 1 放电，释放电流为
(UZ + Uoff1)/Rf ，U3 电 压 由 (-KUz - U ) off4 下 降 至
系式：
T1 T1 + T2
=
Cf Cf +
C1 (1
+
ε)
（8）
其中：
ε=
C1 Cf + C1