整合型溫濕度感測器助攻　環境監控設備提升附加價值

愈來愈多戶外及遠端設備導入電子元件，已引發設備狀態監控解決方案的需求。這些遠端控制及電子裝置，通常被放置在可抵抗天氣變化的環境中，或安裝在特定空間或密閉空間內；然而，在惡劣環境的影響下，遠端控制室中的儀器設計將變得非常不容易或不具成本效益，因此，在這些遠端設備中增加相對濕度(RH)和溫度感測的功能，可監測這些電子設備周邊環境狀況，預防環境濕度或溫度對設備造成的危害，從而降低維運成本。

事實上，環境感測器對消費者居家監測產品也有其助益，可為兒童照護和安全監控產品提供室內濕度和溫度狀況資訊，讓父母或屋主對他們目前的居住環境情況更加安心。近期，整合相對濕度和溫度感測器的產品已陸續問世，例如芯科實驗室(Silicon Labs)的Si701x/2x感測器，這類元件具備高精確濕度和溫度感測功能，能以一種簡單和低成本的方式嵌入至電子產品中，而不需要專門的校準設備，更將有助系統業者減輕產品設計複雜度或大量物料成本。

預防戶外電子設備故障　溫濕度感測器擔當重任

戶外電子的應用案例包括保全監測器、自動櫃員機(ATM)、自動販賣機、照明和灌溉控制器、地震資料記錄儀、氣象站，以及為個人和軍事裝備提供緊急服務的無線電設備等。使用於戶外工作的電子元件通常需特殊的設計考量，以確保能在各種天氣條件下正常工作，包括支援更大的溫度範圍，以及小心防止水和灰塵沾汙元件。此外，高濕度狀態下的連續工作也會引起設備端的腐蝕，最終導致設備故障，而保護這些元件的方法是把元件放在保護蓋下或密封的外殼內。

電子設備有時還會放置於距離服務中心數哩的地方，或被放置於很少有人進出或使用的房間內。這些設備通常具有環境控制系統來保護產品的運行環境，常見的例子包括遠端伺服器、資料中心、電信設備和蜂巢式基地台等，由於其位置偏遠，在這些安裝點定期近距離直接監控環境狀況將非常不切實際，因此須要採用新的環境監控解決方案。

針對電子設備所處環境狀況的監控需求，低成本的熱敏電阻和溫度感測器裝置已推出多年，使工程師在電子設計中增加遠端溫度感測功能變得相對容易。雖然溫度感測能夠呈現監控戶外和遠端電子元件的正常狀態，但如果只有溫度資料，仍不足以了解設備所處環境的完整資訊。例如設備密封外殼上的封條和墊圈可能失效，水會進入殼內；同樣的，遠端設備空間的門窗或管道也可能漏水。在上述任一種情況下，水分都可能會引起腐蝕和/或浸水，並使昂貴設備停止工作，但是在故障發生之前，這些問題是不會被單獨的溫度感測所檢測到的。

有鑑於此，在溫度感測之外增加遠端相對濕度感測功能，可對於遠端密閉環境中有可能導致 設備毀壞的潮濕狀況提供早期預警。在許多情況下，該感測資訊將可在損壞發生之前，提供足夠的時間讓維護人員修復受損的封條或管線，此外，遠端設備房間內異常的相對濕度水準也是評估環境控制設備故障的一個訊號，因此，以相對濕度感測器實現電子設備故障早期預警，將能協助工程人員在設備故障發生之前進行必要的維護。

溫濕度感測實現居家環境監控

圖1　整合型相對濕度和溫度感測器示意圖

愈來愈多消費者更加關注他們的室內環境狀況。以嬰兒監測器為例，係近來廣受消費者歡迎的產品，嬰兒父母將可不定時觀察在另一房間中睡覺或玩耍的孩子；而在嬰兒監測器中增加遠端相對濕度和溫度感測器(圖1)後，相對濕度測量還可判斷室內是否須提高濕度，確保環境安全與舒適度。

與此同時，當屋主遠離自己的居住環境時，移動偵測器和保全攝影機通常用來檢測入侵、盜竊和破壞。在家庭安全監測產品中增加相對濕度和溫度感測功能，不僅提供一個額外的數據以顯示窗戶或門可能被打破，也可以對暖通空調(HVAC)故障進行預警。

例如在寒冷氣候地區進行可能引起管線破裂的早期預警是非常有價值的，同樣也適用於高濕度而可能引起黴菌生長的潮濕氣候地區。值得一提的是，當搭配聯網監測應用後，用戶可任意連接互聯網設備或手機，在任何時間查詢監測資料，此即為室內相對濕度和溫度感測更添應用價值。

精度校準不易　濕度感測功能設計難度高

不過，儘管溫度和相對濕度感測器可為居家監控設備帶來更多應用價值，但同時也帶來許多系統設計挑戰。原因在於傳統相對濕度感測器是由離散式電阻或電容式感測元件，以及連接到微控制器(MCU)的外部驅動電路構成的感測解決方案，因此一直到最近，在印刷電路板(PCB)中增加相對濕度感測都是一件困難的事情。

主要的技術挑戰包括相對濕度感測元件體積龐大，與表面黏著技術(SMT)自動貼片(Pick-and-place)PCB裝配技術過程不相容；若離散式相對濕度感測器超出預期的工作溫度範圍，可能須要附加元件對感測器回應進行溫度補償。

此類新型設計通常也需專門的裝置進行生產線後端校準，以便達到適當的精確度；在工作過程中，離散式的相對濕度感測器容易受到震動和機械衝擊影響。此外，由於在電路設計中涉及大量類比元件，傳統的相對濕度感測器可能受到長期的精確度漂移影響。有鑑於內建相對濕度感測功能須考慮眾多因素，除非工程師十分要求系統的長期可靠性，否則通常不願意在PCB設計中添加相對濕度感應。

克服體積/精度/功耗挑戰　整合型溫濕度感測器亮相

圖2　整合型溫濕度感測器在嬰兒監測器中的應用

不過，近期透過整合型的相對濕度和溫度感測器已能大幅簡化設計，使在PCB中增加可靠和穩定的相對濕度和溫度感測功能的過程變得相對簡單和直接。

目前最先進的整合型感測器在單晶片中整合離散式相對濕度感測器、溫度感測器、相關介面電路和溫度補償的所有功能(圖2)，當與MCU連接時，工業標準的I2C介面代替專用類比數位轉換器(ADC)輸入；而採用DFN工業標準封裝，這些整合的相對濕度/溫度感測器也完全相容於SMT自動貼片技術，且不易受到震動影響。此外，對於電池供電的產品，整合相對濕度和溫度感測器方案比離散式元件方案具有更低的功耗，最重要的是，這些元件是完全由工廠校準的，不須再經由生產線後端校準。

雖然設計人員過去僅在戶外電子應用和遠端設備中導入溫度感測器，但現在由於整合型溫濕度感測器的問世，再增加相對濕度感測功能也不會帶來任何負擔。如此一來，系統業者在戶外電子產品中加入可常態觀察密封機殼內環境狀況的功能也更加容易，且毋須對設備進行實地檢查。

對遠端裝置而言，整合式相對濕度和溫度感測器與實地檢查相較，也可提供更頻繁的遠端環境監測。無論哪種情況，在溫度感測之外增加低成本的相對濕度感測功能，更能降低維護成本和設備故障風險。至於消費性產品設計方面，整合式相對濕度和溫度感測器，也能讓設計人員很容易在居家環境監測中，新增相對濕度和溫度感測功能。

這些設計上的突破皆來自整合型相對濕度和溫度感測器極小的PCB封裝、低物料成本和工業標準數位I2C介面的優勢，再加上其低功耗特性，進而為室內監測產品、遠端感測設備提高應用價值，且可透過廉價的鈕扣電池供電，持續工作數年。

監控設備應用價值再升級

無論設計者是否正在建構戶外應用、遠端裝置或消費性居家環境監測產品，在這些產品中增加相對濕度和溫度感測器，可提供比單獨溫度感測器更完整的環境狀態資訊。對於戶外電子設備和遠端裝置，相對濕度和溫度感測能夠預防高成本設備故障；對消費性居家環境監測設備來說，相對濕度和溫度感測功能，亦可為使用這些設備的父母和屋主帶來高附加價值。

(本文作者為Silicon Labs環境感測器產品經理)