一、發(fā)展趨勢

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y量濕度要比測量溫度復(fù)雜的多，溫度是個獨(dú)立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強(qiáng)、溫度）的影響。此外，濕度的標(biāo)準(zhǔn)也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價格十分昂貴。

近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。

二、特性分類

線性電壓輸出式集成濕度傳感器

典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。

線性頻率輸出集成濕度傳感器

典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)相對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價格低等優(yōu)點(diǎn)。

頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器

典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。

單片智能化濕度/溫度傳感器

2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化濕度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫度室中做過精密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進(jìn)行自動校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測量相對溫度，還能測量溫度和露點(diǎn)。測量相對溫度的范圍是0～100%，分辨力達(dá)0.03%RH，最高精度為±2%RH。測量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測量露點(diǎn)的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá)12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)品互換性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，不需要外部元件，適配各種單片機(jī)，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

三、封裝方法

濕度傳感器由于其工作原理的限制,必須采取非密封封裝形式,即要求封裝管殼留有和外界連通的接觸孔或者接觸窗,讓濕敏芯片感濕部分和空氣中的濕汽能夠很好的接觸。同時,為了防止?jié)衩粜酒豢諝庵械幕覊m或雜質(zhì)污染,需要采取一些保護(hù)措施。目前,主要手段是使用金屬防塵罩或者聚合物多孔膜進(jìn)行保護(hù)。下面介紹幾種濕度傳感器的不同封裝形式。

1.晶體管外殼(TO)封裝

目前,用TO型封裝技術(shù)封裝濕敏元件是一種比較常見的方法。TO型封裝技術(shù)有金屬封裝和塑料封裝兩種。金屬封裝先將濕敏芯片固定在外殼底座的中心,可以采用環(huán)氧樹脂粘接固化法;然后在濕敏芯片的焊區(qū)與接線柱用熱壓焊機(jī)或者超聲焊機(jī)將Au絲或其他金屬絲連接起來;最后將管帽套在底座周圍的凸緣上,利用電阻熔焊法或環(huán)形平行焊法將管帽與底座邊緣焊牢。金屬管帽的頂端或者側(cè)面開有小孔或小窗,以便濕敏芯片和空氣能夠接觸。根據(jù)不同濕敏芯片和性能要求,可以考慮加一層金屬防塵罩,以延長濕度傳感器的使用壽命。

2.單列直插封裝(SIP)封裝

單列直插封裝(SIP)也常用來封裝濕度傳感器。濕敏芯片的輸出引腳數(shù)一般只有數(shù)個,因而可以將基板上的I/O引腳引向一邊,用鍍Ni、鍍Ag或者鍍Pb-Sn的“卡式”引線(基材多為Kovar合金)卡在基板的I/O焊區(qū)上,將卡式引線浸入熔化的Pb-Sn槽中進(jìn)行再流焊,將焊點(diǎn)焊牢。根據(jù)需要,卡式引線的節(jié)距有2.54 mm和1.27 mm兩種,平時引線均連成帶狀,焊接后再剪成單個卡式引線。通常還要對組裝好元器件的基板進(jìn)行涂覆保護(hù),最簡單的是浸漬一層環(huán)氧樹脂,然后固化。最后塑封保護(hù),整修毛刺,完成封裝。

單列直插封裝的插座占基板面積小,插取自如,SIP工藝簡便易行,適于多品種,小批量生產(chǎn),且便于逐個引線的更換和返修。

3.小外形封裝(SOP)

小外形封裝(SOP)法是另一種封裝濕度傳感器的方法。SOP是從雙列直插封裝(DIP)變形發(fā)展而來的,它將DIP的直插引腳向外彎曲成90°,變成了適于表面組裝技術(shù)(SMT)的封裝。SOP基本全部是塑料封裝,其封裝工藝為:先將濕敏芯片用導(dǎo)電膠或環(huán)氧樹脂粘接在引線框架上,經(jīng)樹脂固化,使?jié)衩粜酒潭?再將濕敏芯片上的焊區(qū)與引線框架引腳的鍵合區(qū)用引線鍵合法連接。然后放入塑料模具中進(jìn)行膜塑封裝,出模后經(jīng)切筋整修,去除塑封毛刺,對框架外引腳打彎成型。塑料外殼表面開有與空氣接觸的小窗,并貼上空氣過濾薄膜,阻擋灰塵等雜質(zhì),從而保護(hù)濕敏芯片。相較于TO和SIP兩種封裝形式,SOP封裝外形尺寸要小的多,重量比較輕。SOP封裝的濕度傳感器長期穩(wěn)定性很好,漂移小,成本低,容易使用。同時適合SMT,是一種比較優(yōu)良的封裝方法。

4.其它封裝形式

外部支撐框架是由高分子化合物形成,用預(yù)先設(shè)計的模子澆鑄而成,其設(shè)計充分考慮了空間結(jié)構(gòu),保證濕敏芯片和空氣能充分接觸。濕敏芯片沿著滑道直接插入外框架,然后固定。從外框架另一端插入外引線,與濕敏芯片的焊區(qū)相接(也可以懸空),然后用導(dǎo)電膠熱固法將濕敏芯片和外引線連接起來。最后,外框架的正反兩面都貼上空氣過濾薄膜。過濾薄膜由聚四氟乙烯制成的多孔膜,能夠允許空氣滲透進(jìn)入傳感器而能阻擋灰塵和水滴。

這種濕度傳感器的封裝有別于傳統(tǒng)的濕度傳感器封裝,它不采用傳統(tǒng)的引線鍵合的方法連接外引線和濕敏芯片,而是直接將濕敏芯片外引線連接,從而避免了因?yàn)閮?nèi)引線的原因而導(dǎo)致的失效問題。同時,它的封裝體積較小,傳感器性能穩(wěn)定,能夠長時間工作。不過,它對外框架制作要求較高,工藝相對比較復(fù)雜。

5.濕度傳感器和其它傳感器混合封裝

很多時候,濕度傳感器并不是單獨(dú)封裝的,而是和溫度傳感器、風(fēng)速傳感器或壓力傳感器等其它傳感器以及后端處理電路集成混合封裝,以滿足相應(yīng)的功能需求。其封裝工藝為:先將濕敏芯片用導(dǎo)電膠或環(huán)氧樹脂粘接在基板上,經(jīng)樹脂固化,使?jié)衩粜酒潭?。再將濕敏芯片上的焊區(qū)與基板鍵合區(qū)用引線鍵合法連接。然后封蓋外殼(材料可選擇水晶聚合物)。外殼的表面開有與空氣接觸的小窗,使?jié)穸让舾性蜏囟让舾性酒涂諝獬浞纸佑|,而其他部分與空氣隔離,密封保護(hù)。小窗貼有空氣過濾薄膜,以防止雜質(zhì)的沾污。

LCC封裝由于沒有引腳,所以寄生電容和寄生電感均較小。同時它還具有電性能和熱性能優(yōu)良,封裝體積小,適合SMT等優(yōu)點(diǎn)。

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