Johnson Controls江森自控湿度传感器的封装方法资料

人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的发展，很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对美国Johnson Controls江森自控湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同．其性能和技术指标（像精度方面）有很大差异，因而价格也相差甚远。对使用者来说，选择美国Johnson Controls江森自控湿度传感器时，首先要搞清楚需要什么样的传感器；在自己的财力允许的情况下选购何种档次的产品，权衡好“需要与可能”的关系，不至于盲目行事。从我们与用户的来往来看，觉得有以下几个问题值得注意。
美国Johnson Controls江森自控湿度传感器的工作原理：
湿敏元件是zui简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。
湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要*暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及*稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。
1、氯化锂湿度传感器
（1）电阻式氯化锂湿度计
*个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。
氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH 以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为（80～100）%RH ，0.2%的浓度对应范围是（60～80）%RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15～100）%RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2 ～100）%RH 。
（2）露点式氯化锂湿度计
露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却*不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。
2、碳湿敏元件
碳湿敏元件是美国的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过±5%RH ，时间常数在正温时为2～3s，滞差一般在7%左右，比阻稳定性亦较好。
3、氧化铝湿度计
氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小（例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重），灵敏度高（测量下限达-110℃露点），响应速度快（一般在 0.3s 到 3s 之间），测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题.
上始终未能取得重大的突破。因此，到目前为止，传感器通常只能在特定的条件和有限的范围内使用。近年来，这种方法在工业中的低霜点测量方面开始崭露头角。
4、陶瓷湿度传感器
在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术zui为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的*方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。 考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于 1980 年研制成称之为“湿瓷 - Ⅱ型”和“湿瓷 - Ⅲ型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。
以上几种是应用较多的几种类型传感器，另外还有其他根据不同原理而研制的湿度传感器，这里就不一一介绍了。
时漂和温漂
几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，所以不能密封。这就决定了它的稳定性和寿命是有限的。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期负责重新标定。请使用者在选择传感器时考虑好日后重新标定的渠道，不要贪图便宜或迷信洋货而忽略了售后服务问属。
温漂在上1节已经提到。选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围，看所选传感器在温度下能否正常工作，温漂是否超出设计指标。要提醒使用者注意的是：电容式湿度传感器的温度系数α是个变量，它随使用温度、湿度范围而异。这是因为水和高分子聚合物的介电系数随温度的改变是不同步的，而温度系数α又主要取决于水和感湿材料的介电系数，所以电容式湿敏元件的温度系数并非常数。电容式湿度传感器在常温、中湿段的温度系数zui小，5-25℃时，中低湿段的温漂可忽略不计。但在高温高湿区或负温高湿区使用时，就一定要考虑温漂的影响，进行必要的补偿或修正。
领域 部门 温度(℃) 湿度(%RH)
纺织 纺纱厂 23 60
织布厂 18 85
医药 制药厂 10～ 30 50～60
手术室 23～ 26 50～60
轻工 印刷厂 23～ 27 49～51
卷烟厂 21～ 24 55～65
火柴厂 18～22 50
电子 半导体 22 30～45
计算机房 20～30 40～70
通 讯 电缆充气 -10～30 0～20
食 品 啤酒发酵 4～8 50～70
农业 良种培育 15～40 40～75
人工大棚 5～40 40～100
仓储 水果冷冻 -3～5 80～90
地下菜窖 -3～ -1 70～ 80
文物保管 16～18 50～55
注：在不同领域的使用范围(%RH/℃)
与传统测湿方法的关系
早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子式湿度传感器是近几十年．特别是近20年才迅速发展起来的。新旧事物的交替与人们的观念转变很有关系。由于干湿球、毛发湿度计的价格仍明显低于湿度传感器，造成一部分人对电子湿度传感器价格的不认可。正好像用惯了扫帚的人改用吸尘器时，总觉得花几百元钱买一台吸尘器有些不上算，不如花几元钱买把扫帚那样心理容易平衡。
由于传统测湿方法在人们的脑海中印象太深了，一些人形成了只有干湿球湿度计才是准确的固有概念。有些用户拿干湿球湿度计来对比刚购得的湿度传感器，如发现示值不同，马上认为湿度传感器不准。须知干湿球的准确度只有5%一7%RH，不但低于电子湿度传感器，而且还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，zui常用分流式标准湿度发生器来进行标定。所以希望用户在需要校准时也采用相同的方法，避免用准确度低的器具去校准或比对精度高的传感器。
美国Johnson Controls江森自控湿度传感器的特性：
湿敏元件是zui简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿敏电容
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF～202pF。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。
除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要*暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及*稳定性。
美国Johnson Controls江森自控湿度传感器的注意事项：
湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。
有的湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度．或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。使用时应技要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。
传感器需要进行远距离信号传输时，要注意信号的衰减问题。当传输距离超过200m以上时，建议选用频率输出信号的湿度传感器。
由于湿敏元件都存在一定的分散性，无论进口或国产的传感器都需逐支调试标定。大多数在更换湿敏元件后需要重新调试标定，对于测量精度比较高的湿度传感器尤其重要。
湿度传感器现在正在被广泛应用，湿度传感器能够很好的监控环境中湿度，在食品保护，环境检测等方面有着重要的应用，我们在使用湿度传感器的时候应该充分了解湿度传感器的结构已经在使用过程中的一些注意事项。
湿度传感器的形式不是很多，但是不管是什么样的湿度传感器在使用过程中还是要注意以上几个细节问题，不仅仅是湿度传感器所有的传感器在使用过程中都有它的注意事项，我们在使用的时候应该首先阅读使用说明书已经和厂家咨询相关的问题，才能更好的使用。
美国Johnson Controls江森自控湿度传感器的用途：
1、湿度传感器的用途
湿度传感器用于湿度测量，基于湿度定义有很多表示方法，本文将湿度传感器定义为测量环境相对湿度的电子式敏感元件/器件。 
2、湿度传感器的分类
碳膜湿度传感器
金属氧化物陶瓷式湿度传感器
电解质湿度传感器——氯化锂湿敏电阻
高分子湿度传感器——高分子湿敏电阻
高分子湿度传感器——高分子湿敏电容(流行)
红外湿度传感器
微波湿度传感器
超声波湿度传感器
美国Johnson Controls江森自控湿度传感器的封装方法：
湿度传感器由于其工作原理的限制,必须采取非密封封装形式,即要求封装管壳留有和外界连通的接触孔或者接触窗,让湿敏芯片感湿部分和空气中的湿汽能够很好的接触。同时,为了防止湿敏芯片被空气中的灰尘或杂质污染,需要采取一些保护措施。目前,主要手段是使用金属防尘罩或者聚合物多孔膜进行保护。下面介绍几种湿度传感器的不同封装形式。
1.晶体管外壳(TO)封装
目前,用TO型封装技术封装湿敏元件是一种比较常见的方法。TO型封装技术有金属封装和塑料封装两种。金属封装先将湿敏芯片固定在外壳底座的中心,可以采用环氧树脂粘接固化法;然后在湿敏芯片的焊区与接线柱用热压焊机或者超声焊机将Au丝或其他金属丝连接起来;zui后将管帽套在底座周围的凸缘上,利用电阻熔焊法或环形平行焊法将管帽与底座边缘焊牢。金属管帽的顶端或者侧面开有小孔或小窗,以便湿敏芯片和空气能够接触。根据不同湿敏芯片和性能要求,可以考虑加一层金属防尘罩,以延长湿度传感器的使用寿命。
2.单列直插封装(SIP)封装
单列直插封装(SIP)也常用来封装湿度传感器。湿敏芯片的输出引脚数一般只有数个,因而可以将基板上的I/O引脚引向一边,用镀Ni、镀Ag或者镀Pb-Sn的“卡式”引线(基材多为Kovar合金)卡在基板的I/O焊区上,将卡式引线浸入熔化的Pb-Sn槽中进行再流焊,将焊点焊牢。根据需要,卡式引线的节距有2.54 mm和1.27 mm两种,平时引线均连成带状,焊接后再剪成单个卡式引线。通常还要对组装好元器件的基板进行涂覆保护,zui简单的是浸渍一层环氧树脂,然后固化。zui后塑封保护,整修毛刺,完成封装。
单列直插封装的插座占基板面积小,插取自如,SIP工艺简便易行,适于多品种,小批量生产,且便于逐个引线的更换和返修。
3.小外形封装(SOP)
小外形封装(SOP)法是另一种封装湿度传感器的方法。SOP是从双列直插封装(DIP)变形发展而来的,它将DIP的直插引脚向外弯曲成90°,变成了适于表面组装技术(SMT)的封装。SOP基本全部是塑料封装,其封装工艺为:先将湿敏芯片用导电胶或环氧树脂粘接在引线框架上,经树脂固化,使湿敏芯片固定,再将湿敏芯片上的焊区与引线框架引脚的键合区用引线键合法连接。然后放入塑料模具中进行膜塑封装,出模后经切筋整修,去除塑封毛刺,对框架外引脚打弯成型。塑料外壳表面开有与空气接触的小窗,并贴上空气过滤薄膜,阻挡灰尘等杂质,从而保护湿敏芯片。相较于TO和SIP两种封装形式,SOP封装外形尺寸要小的多,重量比较轻。SOP封装的湿度传感器*稳定性很好,漂移小,成本低,容易使用。同时适合SMT,是一种比较优良的封装方法。
4.其它封装形式
外部支撑框架是由高分子化合物形成,用预先设计的模子浇铸而成,其设计充分考虑了空间结构,保证湿敏芯片和空气能充分接触。湿敏芯片沿着滑道直接插入外框架,然后固定。从外框架另一端插入外引线,与湿敏芯片的焊区相接(也可以悬空),然后用导电胶热固法将湿敏芯片和外引线连接起来。zui后,外框架的正反两面都贴上空气过滤薄膜。过滤薄膜由聚四氟乙烯制成的多孔膜,能够允许空气渗透进入传感器而能阻挡灰尘和水滴。
这种湿度传感器的封装有别于传统的湿度传感器封装,它不采用传统的引线键合的方法连接外引线和湿敏芯片,而是直接将湿敏芯片外引线连接,从而避免了因为内引线的原因而导致的失效问题。同时,它的封装体积较小,传感器性能稳定,能够长时间工作。不过,它对外框架制作要求较高,工艺相对比较复杂。
5.湿度传感器和其它传感器混合封装
很多时候,湿度传感器并不是单独封装的,而是和温度传感器、风速传感器或压力传感器等其它传感器以及后端处理电路集成混合封装,以满足相应的功能需求。其封装工艺为:先将湿敏芯片用导电胶或环氧树脂粘接在基板上,经树脂固化,使湿敏芯片固定。再将湿敏芯片上的焊区与基板键合区用引线键合法连接。然后封盖外壳(材料可选择水晶聚合物)。外壳的表面开有与空气接触的小窗,使湿度敏感元件和温度敏感元件芯片和空气充分接触,而其他部分与空气隔离,密封保护。小窗贴有空气过滤薄膜,以防止杂质的沾污。