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1IE012

Sensores Integrados em SilícioIE012

Sensores de umidadeProfessor Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207

www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano

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Unidades HigrométricasGrandeza Símbolo Sistema

Gaussiano (CGS)

Pressão parcial de vapor d’água pw mmHg, kPa

mbar, atm

Pressão de saturação de vapor d’água ps

mmHg, kPa mbar, atm

Deficit de saturação ∆p mmHg, kPa mbar, atm

Umidade relativa RH %

Umidade absoluta ρw g/m3

Ponto de Dew Td °C

vol. ar úmidovol. ar seco

mr ppmv

2

3IE012

Lei de DaltonPressão Total:

PTOTAL = PGÁS SECO + pw

Ar atmosférico:

PTOTAL = PNITROGEN + POXYGEN + PARGON + PTRACE ELEMENTS + pw

Valores típicos:

PNITROGEN = 78 kPaPOXYGEN = 21 kPaPARGON = 1 kPaPTRACE = 0.3 kPa

pw = 1 kPa

PTOTAL = 101.3 kPa

4IE012 Pressão de saturação em função da temperatura

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

0 20 40 60 80 100 120 140Temperatura [°C]

Pres

são

de S

atur

ação

[m

mH

g]

17.27exp237.3s

tp At

= + A = 4.58 mmHg = 0.61 kPa

3

5IE012

Unidades Higrométricas

Déficit de saturação

Umidade absoluta

Umidade relativa

Ponto de orvalho (Dewpoint)

s wp p p∆ = −

217,6 ww

pT

ρ =

100%w

s

pRHp

= ×

Temperatura em que:

100%w s

H

p pR

=

=

6IE012

Sensores de umidade:

• Capacitivo (75% dos sensores disponíveis no mercado)

• Resistivo• Dew point• Condutividade térmica• Ótico• MEMS

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7IE012

Características desejáveis de um sensor de umidade

• Alta sensibilidade• Resposta rápida• Baixo custo• Tamanho reduzido• Histerese mínima

• Baixa deriva térmica• Estabilidade a longo

prazo (long-term stability)

• Durabilidade• Reprodutibilidade•Resistência contra

contaminantes

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Sensores de umidade capacitivos

0rACd

ε ε=

n

w w

d d

CC

εε

=

C = capacitância em F = permissividade relativa= permissividade do vácuo

8,85 ×10-12 F/mA = área da placa em m2

d = distância entre as placas em m

rε0ε

Linearidade

Dielétrico rε Ar(seco) 1,0006 Água@ 0 C Água@ 25 C Água@ 100 C

88 80 55

5

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Morfologia dos eletrodos

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Materiais dielétricos compatíveis

• Silício poroso– Tipo p fracamente dopado– Desvantagem: Facilidade de

contaminação

• Polisilício poroso– Vantagem: baixo TCR

• Carboneto de silício– Vantagem: menos

vulnerável à contaminação Si poroso obtido através de anodização eletroquímica com HF. Espessura 5000×10-10 m

Fonte: TUDelft

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Sensor de umidadea Si poroso

Tempo de resposta10% até 90% RH e 90% até 10% RH

Fonte: TUDelft

12IE012

1CfC

2C

V

outV

1S

2S

Capacitores chaveados

( )1 2out

f

V C CV

C−

=

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Sensor de umidade integrado

Fonte: Y.Y. Qiu et al. “A CMOS humidity sensor with on chip calibration” Sensor and Actuators A 92 (2001) 80-87

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Função reset

Fonte: Rittersman and Benecke

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15IE012

Sensores Capacitivos Comerciais

Sensores Capacitivos de Umidade de diversos fabricantes

(fonte: http://www.sensorsmag.com/articles/0701/54/main.shtml)

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Principais características dos sensores de umidade capacitivos

• Deriva térmica reduzida• Tamanho pequeno• Baixa resistência a contaminantes• Tempo de resposta elevado

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17IE012

Sensores de umidade Resistivos

Material absorvedor

de umidade

A mudança incremental na impedância é tipicamente uma função exponencial inversa da umidade

(http://www.sensorsmag.com/articles/0701/54/main.shtml)

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Sensor de umidade resistivo comercial

General Eletric EMD4000

• Temperatura de operação: 5 a 60°C

• Precisão: 3%• Tempo de resposta:

<1min• Histerese: <1%RH

(http://www.geindustrial.com/products/brochures/RHSensorsOverview.pdf)

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19IE012

Principais características dos sensores de umidade resistivos

• Tamanho pequeno• Baixo custo• Baixa resistência a contaminantes• Histerese • Deriva térmica

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Método do espelho resfriado

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Principais características dos sensores de umidade óticos

• Preciso e estável• Velocidade de resposta (sensor rápido)• Histerese reduzida• Resistência a contaminantes• Ausência de deriva térmica• Alto custo• Integração complexa

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Ponto de orvalho

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Material absorvedor de umidade

Membrana microfabricada

Sensores de umidade - MEMS

A tensão de saída é uma função linear do stress e o stress é função quase linear da umidade relativa.

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Conclusões

• A sensibilidade dos sensores é aproximadamente independente da geometria do diafragma (quadricular, circular ou retangular)

• A sensibilidade aumenta com a diminuição da espessura do diafragma e com o aumento da espessura do filme absorvedor de umidade

• O tempo de resposta aumenta com o aumento na espessura do filme

• A razão de cobertura do diafragma pelo filme de polímero deve ser de aproximadamente 80% para maximizar a sensibilidade

Fonte: R. Buchhold, A. Nakladal, G. Gerlach, P. Neumann – “Design studies on piezoresistive humidity sensors” -Sensors and Actuators B 53 (1998) 1–7

Sensores de umidade - MEMS

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Higrometrix

HMX2000

• 0-100% RH

• alta linearidade

• baixa histerese (3%)

• baixa potência, baixa corrente

• resposta rápida (<5s)

• Aplicação: controle/monitoramento de ambientes, verificador da qualidade do ar

(fonte: http://www.hygrometrix.com/DSHMX2000B%20pc.pdf)

Sensor de umidade MEMS comercial

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Sensores de plataformas de coleta de dados

• Temperatura e umidade do ar• Precipitação – pluviômetro• Pressão atmosférica – barômetro• Direção e velocidade do vento• Radiação solar• Temperatura do solo• Fluxo de calor do solo