Jste zde

Novinka – Miniaturní senzor vlhkosti Sensirion STH21

Antonín Vojáček, 2. Červen 2010 - 20:54

V nabídce společnosti Sensirion je nový miniaturní integrovaný senzor relativní vlhkosti a teploty s označením SHT 21. Mimo to se v článku stručně připomeneme i ostatní sortiment Sensirionu a najdete zde i stručný popis struktury a funkci jednotlivých bloků.

Aktuální novinkou roku 2010 v nabídce společnosti Sensirion, dost známého výrobce senzorů, je nový opravdu miniaturní křemíkový senzor relativní vlhkosti s označením STH21.

Nejdříve stručný přehled celého sortimentu vlhkoměrů Sensirion

Celá rodina kapacitních senzorů relativní vlhkosti, zahrnující celkem 6 různých typů, je vyráběna technologií vysoké integrace CMOSens. Ta umožňuje společné integrování analogových i digitálních obvodů na jeden křemíkový CMOS čip. Při výrobě se využívá speciálních mikrosystémových kroků zpracování k vytvoření struktury mikrosenzoru. K měření a úpravě naměřených hodnoty tak využívají digitální zpracování a senzory jsou od výrobce již plně přesně kalibrovány. Je tedy možné je hned použít. Také se vyznačují dlouhodobou teplotní stabilitou, nízkou spotřebou (< 3 mA) a reakční dobou 4 až 8 sekund. Přesnost měření se liší v závislosti na zvoleném typu a pohybuje se v rozsahu +/- 2 až +/- 5 %.

V nabídce jsou následující typy:

SHT10, SHT11 a SHT14 - SMD provedení
SHT71 a SHT75 – provedení s vývody
SHT21 – nový typ v DFN provedení

Přehled výrobního sortimentu senzoru relativní vlhkosti společnosti Sensirion

Měřící princip a struktura kapacitních senzorů Sensirion

Podobně jako dnes většina moderních senzorů měření relativních vlhkosti, i senzory Sensirion využívají kapacitní metodu měření. Senzor se tak skládá z kondenzátoru, kde dielektrikem je polymer, který absorbuje nebo vypouští vodu úměrně k hodnotě relativní vlhkosti okolního prostředí, čímž se mění jeho kapacita. Ta je následně elektronicky měřena. Protože změna kapacity je úměrná změně vlhkosti, vlastně ji tím měříme.

Pro senzory vlhkosti vytvořené CMOSens technologií se vytvoří MEMS technologií systém hřebenu úzkých elektrod s rozdílným pokrytím ochranné a polymerové vrstvy, čímž se vytváří kapacita čipu senzoru a zároveň poskytuje senzoru ochranu před nežádoucími vlivy. Pokrytí senzoru kondenzátem nebo vložením do vody tak nezpůsobí senzoru žádnou újmu.

Teplotní senzor a senzor relativní vlhkosti dohromady vytváří jednu kompaktní jednotku. To také umožňuje přesné určení rosného bodu bez nepřesností vlivem teplotních gradientů mezi senzorem teploty a vlhkosti. Skrze spojení těchto dvou měřících prvků s jednotkou signálového zesilovače, A/D převodníkem a pamětí obsahující kalibrační data výrobce, stejně tak jako digitální komunikační rozhraní dohromady na několika čtverečních milimetrech čipu.

Zesílení signálu hned u samotné snímací části polymerového kondenzátoru není optimalizováno ani tak na dosažení maximální amplitudy signálu, ale na zajištění jeho dlouhodobé stability, tolik důležité pro většinu aplikací. Hned za zesilovačem integrovaný 12bitový sigma-delta A/D převodník, který hned převede analogový signál na číslicové vzorky, zajistí minimální možnost ovlivnění měření okolními vlivy, hlavně elmag. rušením vytvářející šumový signál. Následně se v integrovaném procesoru digitalizovaný signál upravuje dle kalibračních dat uložených výrobcem ve vnitřní OTP paměti, linearizuje apod. Kalibrační data jsou u každého senzoru odlišná a vycházejí z kalibračního procesu provedeného na konci výroby každého senzoru. Díky tomu jsou všechny senzory velmi přesné a uživatel je již nemusí nijak seřizovat, ale hned je může použít. Také toto dovoluje bezproblémovou záměnu např. poškozeného senzoru hned za nový bez jakéhokoliv vlivu na měření.

Na konci integrovaného měřícího řetězce každého senzoru jsou obvody komunikačního rozhraní – digital interface. V tomto směru mohou být senzory teploty a vlhkosti Sensirion přímo připojit k nadřazenému systému realizovaného některým mikrokontrolérem prostřednictvím 2-vodičové digitální sériové komunikace I2C (hodinový signál SCL + datová linka SDA). Pro potřeby přímého připojení k PLC nebo jiným regulátorům jsou v nabídce i verze se PWM a SDM signálem, tedy výstup s proměnnou střídou či množství přenášené el. energie. Z SDM lze pak snadno RC filtrem typu dolní propust (integrační článek) vytvořit analogovým napěťovým výstup, což i přímo popisuje datasheet SDM provedení daného senzoru, včetně hodnot doporučených součástek.

Nový senzor SHT21

Pod označením SHT21 se v nabídce společnosti Sensirion nachází nový miniaturní kombinovaný senzor relativní vlhkosti a teploty. Celý výše nastíněný měřící a vyhodnocovací řetězec obvodů je obsažen v malém pouzdru velikosti 3x3x1,1 mm. Ten měřící část bezpečně chrání před přímými účinky vysoké vlhkosti, teploty, účinkům běžných chemických sloučenin typu čistící prostředky a mechanických otřesů a nárazům. To mimo jiné umožňuje senzoru měřit plně celý rozsah relativní vlhkosti 0 až 100% a provozovat jej při velmi širokém rozsahu teplot -40 až +125°C (to je prakticky fyzikální maximum použitelnosti křemíkových integrovaných obvodů). To při spotřebě el. energie jen 8 mikroW při 8bit. vzorkování a při napájecím napětí 3,0 V DC.

Senzor SHT 21 je skutečně velmi malinký...

Reakční doba na změnu vlhkosti je cca 6 až 8 sekund a měřící nepřesnost se v případě měření vlhkosti pohybuje v rozsahu +/- 2 až +/- 5 %. U měření teploty je v rozsahu +/- 0,3 až 2,0°C v rozsahu -40 až 120°C – viz níže na konci článku uvedené grafy. I toto jsou velmi dobré hodnoty. Při měření vlhkosti je však nutné brát v potaz i závislost na teplotě. Protože senzor dosahuje jiné přesnosti měření například stálé hodnoty vlhkosti např. 60% RH při teplotě 5°C či při 80°C. Tuto informaci ukazuje následující graf.

Rozlišení nepřesnosti měření relativní vlhkosti v závislosti (vlevo) a diagram měřícího rozsahu vlhkosti a teploty (vpravo)

Rozlišení senzoru je dáno A/D převodem, který je v případě vlhkosti 12bitový a v případě teploty 14bitový. Pomocí I2C komunikace a lze nastavením registru měnit rozlišení volit v rozsahu 8 až 12 bity u vlhkosti a 12 až 14 bitů u teploty. Převodní charakteristika je v obou případech samozřejmě lineární a její strmost lze v rámci změny nastavení vnitřních registrů senzoru prostřednictvím sériovou komunikace měnit a tím přizpůsobit.

Z pohledu připojovacího výstupu je senzor nabízen v několika následujících provedeních:

I2C digitální sériová komunikace - přenos hodnot a možnost změny nastavení
PWM signál (Pulse-Width Modulation) – mění se střída konstantní frekvence 120 Hz
SDM signál (Sigma-Delta Modulation) - mění se množství přenášené el. energie
Analogový napěťový signál – filtrací z SDM signálu filtrem typu dolní propust

Podle toho, jaký typ výstupu požadujete, musíte zvolit při nákupu příslušné provedení. U PWM, SDM a tedy i u analogového výstupu pak pin SDA zároveň slouží jako výstup PWM či SDM signálu, přičemž zda výstupní signál odpovídá hodnotám relativní vlhkosti či teplotě se definuje vnucenou logickou úrovní na vstup SCL – viz příklady zapojení níže.