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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
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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
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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
=
=
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Sensores de umidade:
• Capacitivo (75% dos sensores disponíveis no mercado)
• Resistivo• Dew point• Condutividade térmica• Ótico• MEMS
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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
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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
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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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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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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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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