Il rilevamento dell'umidità è un'operazione critica per un gran numero di applicazioni: riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria, refrigerazione, apparecchiature sanitarie come ventilatori e machine Cpap, dispositivi per la tracciabilità degli asset e l'immagazzinamento utilizzati nelle industrie alimentare e farmaceutica, sistemi di controllo industriale, strumenti meteorologici, dispositivi per il controllo della climatizzazione e lo sbrinamento usati in applicazioni automobilistiche e dispositivi di elaborazione mobili. Nonostante la sua pervasività, la misura dell'umidità relativa presenta problemi tecnici tra i più difficili da risolvere nel settore del rilevamento ambientale.
Gli strumenti per il rilevamento dell'umidità si basano tipicamente su misure di temperatura, pressione, massa o su una variazione di natura meccanica o elettrica in una sostanza quando viene assorbita l'umidità. Una misura dell'umidità può quindi essere dedotta dalla calibrazione e dal calcolo di una data quantità misurata. Gli igrometri si basano sulla variazione della lunghezza di un ciuffo di capelli al variare dell'umidità relativa: il capello umano presenta infatti un allungamento misurabile al variare dell'umidità. Oggigiorno, comunque, i moderni dispositivi elettronici per il rilevamento dell'umidità utilizzano la temperatura di condensazione o le variazioni di resistenza o capacità elettrica per misurare in modo molto più preciso le variazioni di umidità.
I sensori di umidità relativa in generale e quelli basati sul rilevamento capacitivo che utilizzano materiali dielettrici polimerici in particolare si distinguono per requisiti di utilizzo e modalità applicative diverse da quelle dei tradizionali IC (non sensori). Questi i principali requisiti:
• Necessità di proteggere il sensore nel corso dell'assemblaggio della scheda, specialmente durante la saldatura a riflusso, con la conseguente necessità di “reidratare” il sensore
• Necessità di proteggere il sensore da danni o contaminazioni durante il ciclo di vita del prodotto
• Impatto dell'esposizione prolungata a valori estremi di temperature o di umidità e dei loro potenziali effetti sull'accuratezza del sensore
• Necessità di applicare correzioni della temperature e linearizzazioni alle letture di umidità.
Alcuni di questi requisiti sono dettati dalle caratteristiche naturali dei film in poliimmide utilizzati nei sensori di umidità relativa capacitivi. Altri invece sono ascrivibili al package a cavità aperta che espone il die e il film del sensore agli agenti esterni. Le tecniche di fabbricazione Cmos hanno permesso la realizzazione di sensori di umidità capacitivi all'avanguardia in grado di soddisfare in maniera economica le esigenze di protezione grazie a rivestimenti innovativi per l'elemento sensore.
Tecniche per la misura dell'umidità
L'umidità può essere quantificata in parecchi modi, ma la misura più importante per mantenere una qualità accettabile dell'atmosfera è quella che riguarda l'umidità relativa. L'umidità relativa è definita come il rapporto percentuale tra la quantità di vapore contenuto da una massa d'aria e la quantità massima (cioè a saturazione) che il volume d'aria può contenere. L'umidità assoluta, invece, è definita come la quantità di vapore acqueo contenuta in un metro cubo d'aria. Il livello di saturazione è generalmente denominato punto di rugiada (dew point) o punto di brina (frost point) in funzione della temperatura. Il valore di umidità relativa può variare in maniera significativa anche in presenza di leggere variazioni di temperatura. Per esempio, la variazione di 1°C di temperatura a 35°C e con il 75% di umidità relativa comporterà un cambiamento di umidità relativa del 4%. Questo perché una temperatura più elevata aumenta la capacità dell'aria di assorbire l'umidità, mentre una temperatura inferiore ha l'effetto opposto. La capacità dell'aria di assorbire l'umidità cresce alle temperature più elevate, quindi l'umidità relativa dell'aria diminuisce quando l'aria si scalda. Quando l'aria umida è raffreddata, la sua capacità di assorbire l'umidità diminuisce, mentre l'umidità relative aumenta. Quindi la quantità di vapore acqueo nell'aria necessaria per raggiungere il punto di rugiada aumenta con la temperatura. Il punto di rugiada a 10°C, per esempio, corrisponde a un'umidità relativa del 31% a 32°C. In linea di principio, la misura dell'umidità relativa è semplice. In pratica, non si tratta di un compito banale. Alcuni tipi di strumenti per il rilevamento della temperature sono caratterizzati da scarsa precisione ed evidenziano problemi di deriva al variare del tempo. Essi inoltre sono soggetti a problemi di contaminazione o isteresi. Molti strumenti di tipo tradizionale richiedono una calibrazione regolare, operazione costosa e scomoda. Lo strumento più noto per la misura dell'umidità è lo psicrometro: esso è costituito da due termometri affiancati, di cui uno è chiamato bulbo secco e l'altro, avvolto in una garza di cotone imbevuta d'acqua distillata, è chiamato bulbo umido. L'evaporazione dalla garza umida abbassa la temperature del termometro a bulbo umido. Quest'ultimo sarà caratterizzato da una temperature più bassa rispetto quello a bulbo secco se l'aria non è saturata con il vapore acqueo. Una tabella di ricerca viene utilizzata per ricavare l'umidità relativa dalle due letture di temperature. Anche se questa operazione può essere automatizzata con l'ausilio di un microcontrollore, l'uso di uno psicrometro comporta numerosi svantaggi: tempi di risposta lenti, dimensioni fisiche notevoli, oltre a problemi di manutenzione dovuti alla necessità di mantenere umido il bulbo di un termometro e assicurare una buona circolazione d'aria nei pressi del bulbo stesso.
Il metodo più preciso per la misura dell'umidità prevede l'uso dell'igrometro a specchio raffreddato. In questo caso si utilizza un meccanismo optoelettronico per rilevare la condensazione su uno specchio che è mantenuto a una temperatura attentamente controllata e raffreddato finché non avviene la condensazione. La condensazione disperde la luce del Led trasmittente, provocando una repentina diminuzione nell'uscita del fototransistor ricevente. La temperatura alla quale si verifica la condensazione fornisce il punto di rugiada dal quale è possibile calcolare il valore dell'umidità. Utilizzando un anello di retroazione gestito da un microcontrollore è possibile rilevare in modo continuo il punto di rugiada. Lo specchio deve essere mantenuto pulito e deve essere possibile eliminare la condensazione una volta rilevata. Strumenti di questo tipo sono comunque ingombranti, spesso costosi e difficili da utilizzare nelle applicazioni consumer, automotive e residenziali. Anche se di dimensioni più contenute, gli igrometri meccanici sono caratterizzati da scarsa precisione, solitamente dell'ordine di ±10%. I modelli più comuni utilizzano capelli o fibre speciali mantenute in tensione. Quando aumenta l'umidità, i capelli diventano più flessibili e si allungano. Questa variazione di lunghezza può essere misurata mediante un estensimetro.
Tecnologia elettronica per il rilevamento dell'umidità
I sensori di umidità elettronici permettono di superare parecchie delle problematiche di dimensioni e costi degli strumenti di tipo tradizionale, sebbene molti progetti di tipo tradizionale evidenziano limitazioni significative. Il metodo più comunemente utilizzato per misurare l'umidità si basa sulla variazione di resistenza o capacità di un materiale igroscopico. Sensori di questo tipo si sono affermati nelle applicazioni di più ampia diffusione in quanto l'evoluzione tecnologica li ha resi un'alternativa valida che garantisce accuratezza, compattezza, stabilità e bassi consumi. Un sensore capacitivo è composto da due elettrodi separate da un dielettrico. Solitamente, al crescere della quantità di vapore acqueo nell'aria, aumenta la costante dielettrica del sensore, producendo in tal modo una misura diversa della capacità che corrisponde al livello di umidità. Un sensore resistivo è composto da due elettrodi separati da uno strato conduttivo. In questo caso la conduttività dello strato di rilevamento cambia in funzione delle variazioni dell'umidità. L'utilizzo di nuove tecniche per la produzione di film sottili ha permesso di realizzare sensori precisi, stabili e facili da produrre in volumi. La scelta dei materiali assicura tempi di risposta veloci con un'isteresi ridotta. Un film di poliimmide, che può essere realizzato con uno spessore inferiore a 5 µm, può rispondere a variazioni di umidità in meno di 10 s assicurando nel contempo un'eccellente stabilità. La precisione di un sensore elettronico è limitata dalla deriva in funzione del tempo, in genere provocata da ampie escursioni di temperature e umidità o dalla presenza di agenti contaminanti. Questi fattori devono essere presi in considerazione dai progettisti di sistemi nel momento in cui si apprestano a scegliere la soluzione più adatta. Per migliorare la precisione delle misure di umidità relative, è utile misurare la temperature ambiente ed effettuare compensazioni di temperature sull'host (si tratta di un semplice calcolo del secondo ordine). Al fine di determinare il punto di rugiada o l'umidità assoluta, è anche richiesta la misura della temperatura dell'aria ambiente. La capacità di misurare in modo preciso la temperatura amplifica i vantaggi legati all'uso dei sensori di umidità e la precisione della misura è di fondamentale importanza. Nel caso del calcolo del punto di rugiada, un errore di 1°C nella misura della temperatura produrrà un errore pari a circa 1°C nel calcolo del punto di rugiada. Per ottenere la miglior precisione di misura, le misure di temperature e di umidità devono essere prese il più vicino possibile le une alle altre. Dal punto di vista ideale, esse dovrebbero essere presenti nel medesimo chip. Tale prossimità può essere difficile da ottenere con molti dei sensori elettronici di tipo tradizionale.
Sensori elettronici: problemi di progettazione
In molte soluzioni per il rilevamento dell'umidità è previsto l'uso di sensori discreti resistive e capacitive, ibridi e moduli multi-chip. Tra gli svantaggi di questi approcci di tipo tradizionale si possono menzionare i seguenti: costo della Bill of Material e numero di componenti elevati, ampie dimensioni e necessità di effettuare una calibrazione che richiede molto lavoro manuale. Un ulteriore svantaggio è rappresentato dal fatto che le soluzioni di tipo discreto sono spesso incompatibili con i flussi di assemblaggio Smt standard. Le soluzioni discrete e sotto forma di moduli sono solitamente caratterizzate da un elevato consumo di potenza e occupano molto spazio a bordo della scheda Pcb, rendendo più difficile la loro integrazione all'interno dei dispositivi. Questo rappresenta un problema in applicazioni quali ad esempio quelle che richiedono la tracciabilità degli asset o nell'ambito dei dispositivi medicali portatili. Dal punto di vista ideale un sensore di umidità dovrebbe essere di tipo monolitico al fine di migliorare l'affidabilità e minimizzare consumi di potenza e dimensioni. I sensori monolitici non sono semplici da produrre. Poiché l'elemento sensore deve essere a contatto con l'ambiente per svolgere la propria funzione, un sensore di umidità è esposto a danni e a contaminazioni, specialmente durante l'assemblaggio della scheda Pcb. Il sensore deve essere mantenuto pulito e intatto. Una tecnica comunemente impiegata prevede l'applicazione di un rivestimento sull'apertura del sensore mediante un nastro ad alta temperatura prima dell'assemblaggio del Pcb che viene successivamente rimosso: si tratta di un approccio che richiede parecchio lavoro e va quindi ad incidere su tempi e costi di produzione. Anche se protetti, alcuni sensori non sono compatibili con i processi di saldatura a riflusso utilizzati per alti volumi produttivi. I cicli termici estremi della saldatura a riflusso possono modificare le prestazioni dei sensori di umidità - un effetto questo che non è sempre segnalato nelle specifiche relative alla precisione fornite dal produttore. Ciò significa che la massima precisione può essere ottenuta solamente se il dispositivo è provvisto di zoccolo. Uno zoccolo non solo comporta l'aggiunta di un componente alla Bom (con il relativo costo), ma contribuisce anche ad aumentare il costo del lavoro in quanto richiede l'installazione del sensore dopo che la scheda Pcb è stata sottoposta alla saldatura a riflusso. Il sensore di umidità deve essere protetto anche nel corso della vita del prodotto e richiede l'uso di opportuni rivestimenti o filtri, che in alcune implementazioni possono avere un impatto negativo sulla capacità di reazione del sensore steso. Un progetto accurato del rivestimento permette di attenuare questo problema, oltre a quello della protezione del sensore durante la produzione.
Sensori innovativi con rivestimento protettivo
Il sensore di umidità e temperatura Si7005 di Silicon Labs permette di risolvere molte problematiche, di natura sia progettuale sia produttiva, che interessano soluzioni di tipo discreto, ibrido e modulare. Il sensore Si7005 utilizza un materiale di rivestimento idrofobico come mezzo protettivo per il delicato sensore sottostante. Questo rivestimento realizzato con materiale filtrante idrofobico in Ptfe espanso (ePTFE) garantisce la protezione contro la polvere e numerosi liquidi. La sua particolare struttura consente al vapore acqueo di attraversarlo, in modo da assicurare che il filtro non influenzi il tempo di risposta del sensore. Poiché questo rivestimento opzionale del sensore Si7005 è installato in fabbrica, non è necessario spendere tempo o lavoro per aggiungere e rimuovere il nastro protettivo durante l'assemblaggio della scheda Pcb e il rivestimento non deve essere ingegnerizzato nel corso della progettazione del prodotto. Il sensore Si7005 utilizza un film in poliimmide per rilevare le variazioni di umidità. Questo film, sensibile e sottile, è depositato su un condensatore Mfc (Metal Finger Capacitor). Un circuito di riferimento di tipo bandgap di precisione collocato sullo stesso chip dove è presente il sensori di umidità, fornisce la misura della temperature. L'integrazione sul medesimo die assicura misure di temperatura e umidità ravvicinate, a garanzia di un'eccellente precisione di misura. Il sensore di temperature presente sul die garantisce un'elevata precisione quando il dispositivo Si7005 viene usato in condizioni ambientali prossime a quelle del punto di rugiada. Se la condensazione si raccoglie sul sensore, è possibile azionare un elemento riscaldante presente sul chip per asciugare il sensore e ripristinare il funzionamento una volta che il sensore si trovi al di sopra del punto di rugiada. Il sensore di temperature on-die assicura inoltre che la Mcu che acquisisce la lettura dell'umidità possa tener conto di questo effetto di riscaldamento. La deriva delle misure sul lungo termine di Si7005 causata dall'invecchiamento non è superiore allo 0,25% di umidità relativa all'anno, percentuale che è meno della metà rispetto a quella di molti dispositivi della concorrenza. La precisione specificata tiene conto degli effetti della saldatura a riflusso. Essendo una soluzione monolitica, Si7005 è calibrato in fabbrica, eliminando la necessità da parte dell'utilizzatore di effettuare questa operazione dopo l'assemblaggio della scheda Pcb. Si7005 sfrutta i vantaggi dell'integrazione monolitica per semplificare la progettazione del sistema e mettere a disposizione le funzionalità tipiche di moduli di più ampie dimensioni all'interno di un unico package Qfn compatto di dimensioni pari a soli 4x4 mm. Oltre agli elementi di rilevament, Si7005 integra un convertitore A/D, funzioni di elaborazione del segnale, memoria non volatile per ospitare i dati di calibrazione e un'interfaccia I2C. Uno schema del sensore è riportato in Fig. 4. Questo elevato livello di integrazione contribuisce a migliorare robustezza e affidabilità, ridurre costi e tempi di viluppo, oltre a semplificare il progetto della scheda. La struttura monolitica permette di ridurre i consumi: l'assorbimento di corrente del sensore è pari in media a 1 µA quando viene utilizzato per effettuare una lettura di temperatura e una di pressione al minuto. Il dispositivo è quindi particolarmente indicato per l'uso in tutte le applicazioni dove i consumi rappresentano un elemento critico. Per realizzare una soluzione per il rilevamento dell'umidità relativa con il sensore Si7005 sono necessari solamente due condensatori di bypass rispetto alle decine di component richiesti per implementare le medesime funzionalità mediante una soluzione discreta.
