アナログ赤外線熱電対列 (英語)

はじめに:

センサによるスマート化へようこそ。このビデオシリーズでは、TE Connectivity が提供する最新のセンサ技術について説明します。

本日の「センサによるスマート化」では、HTU31 湿度・温度センサをご紹介します。

1.湿度の定義とそれが重要である理由

湿度は、大気 (またはその他のガス) 中に含まれる一定量の水蒸気と定義されます。

「湿度」は、ガスまたは大気中の水蒸気を定量化するための一般的な用語です。

水蒸気は、日常的に使われる製品や技術の品質および有効性を維持するために重要な役割を果たすだけでなく、人間の存在においても不可欠です。

さまざまな業界の製造業者にとって、湿度測定の正確性、およびセンサ製品が果たす役割について理解することは重要です。

2. 湿度の測定方法

湿度は大気中の水蒸気の量であり、絶対値または相対値として測定できます。絶対湿度は空気容量内の水の質量 (MW) であり、一般的には単位 g/m3 で表されます。多くの人に馴染みがあるのは相対湿度のほうです。相対湿度とは、特定の温度における大気中の実際の水蒸気の量と大気中に含まれうる水蒸気の最大量との比であり、単純なパーセンテージ (0 ～ 100%) で表されます。

3.露点とは

天気予報のおかげで広く知られるようになったもう 1 つの用語が、露点です。これは水蒸気の凝結が始まり、水滴が形成される大気温度 (気圧と湿度によって変わる) として定義されます。

4.湿度が重要である理由

湿度は、産業環境や住宅環境において、勤務中の人々、あるいは自宅で過ごす人々の長期的な健康を左右する重要な要素です。湿度の検知と制御は、製造環境での多くの材料と工程にとって、さらには機器や従業員の安全性にとっても、重要な意味を持ちます。

5. 高湿度に関連するいくつかの問題

屋内の湿度が高いために生じる問題については、ほとんどの人が多少なりとも経験しているはずです。こうした問題にはたとえば、屋内の大気質の低下、カビの発生、産業環境での生産性低下、住宅環境での睡眠の質の低下、喘息やアレルギー症状の増加、硬材や家具の歪み、HVAC システムの過負荷、水光熱費の増加などがあります。

その一方で、空気の乾燥や屋内の低湿度に関連する問題も数多く存在し、こうした問題は一般的にあまり知られておらず、理解されていません。たとえば、工場や産業環境における多くの材料の加工と取り扱い、静電放電、人々の健康と快適性に関わる問題などがあります。

6. 製品説明

TE Connectivity (TE) の HTU31 湿度温度センサシリーズは、小型の 6 ピン DFN 表面実装パッケージで正確な湿度と温度を省電力で測定できるように設計されています。これらのセンサは工場でキャリブレーションされており、I²C デジタル出力または 0.5 V ～ 4.5 V アナログ出力のどちらかの信号を出力可能で、-40°C ～ +125°C の広い温度範囲で動作します。対応している電圧範囲も幅広く、プログラム可能な I²C アドレスによって複数の HTU31 センサを同じ I²C バス上で動作させることもできます。分解能は 16 ビットで、精度は湿度では ±2%、温度では ±0.2°C です。設置面積が 2.5 x 2.5 x 0.9 mm と非常に小さい HTU31 は、今日の市場で最小かつ最も正確な温度・湿度センサの 1 つです。

7. 動作の仕組み

HTU31 は、多孔質の上部電極、湿度を検知する誘電体層、超薄膜ポリマ層、湿度を容量性信号に変換する下部電極で構成されています。

その容量性信号がカスタム ASIC によって処理され、湿度情報がデジタル形式で出力されます。温度も測定され、温度情報はデジタルまたはアナログ形式で出力されます。摂氏 25 度以外の温度では、温度情報を使用してより正確な湿度値を提供できます。

HTU31 センサを構成するコンポーネントは次のとおりです。

- 下部の金電極は堅牢に設計されており、センシング素子を過酷な環境から守ります。

- 超薄膜ポリイミド層は、ポリマと基材間の完全性を向上させます。

- ポリマ層は、湿度に対して最大限の感度が得られるように最適化されています。

- 上部電極の厚い多孔質材は、迅速な時間応答を提供し、結露から速やかに回復するように設計されています。

動作の仕組みは次のとおりです。- 1) 水分子を含む空気が HTU31 センサを取り囲む

2) その湿った空気が導電性の多孔質電極を通過する

3) 空気中の水分子が湿度検知誘電体に浸透する

4) 水濃度に比例して誘電率が変化する

5) それにより、センシング素子の静電容量が変化する

6) ASIC がセンシング素子の静電容量を測定し、その値をデジタルデータに変換する

7) ASIC は HTU31 センシングダイの温度も測定し、その温度情報を湿度データとともに I²C またはアナログ出力電圧として出力する

8.湿度が健康と快適性に及ぼす影響

健康面では、人体の約 65% は水分であり、脱水の防止はきわめて重要です。人体機能の多くは体内の全体的な体液平衡を維持するためのものであり、健康と快適性は室内空気の湿度に多大な影響を受けます。私達の皮膚、眼、呼吸器系はすべて、最適な健康と機能性を維持するために適切な湿度を必要とします。研究により、低湿度とインフルエンザ感染の可能性との関連性が明らかにされています。湿度を上げるとインフルエンザウイルスの感染力が弱まることが、複数の研究によって分かっています。人間の生体防御機能は、相対湿度が > 30% のときに強化されます。また、相対湿度が高いほど大気中の感染性インフルエンザウイルスの量は減少し、インフルエンザ感染の可能性が低下します。

9. 用途

HTU31 が適している用途は幅広く、たとえば HVACR システムが挙げられます。HVACR システムは、家庭や職場にいる人々に快適な環境を提供するために正確な湿度と温度のデータを必要とします。HTU31 は、キャリブレーション不要で正確な湿度と温度のデータを提供できるため、HVACR システムに最適です。また、真のプラグアンドプレイが可能であり、プログラミングを合理化するシンプルなコマンドセットによって I²C バスに直接接続できます。0.5 ～ +4.5 ボルトの出力を供給するオプションのアナログバージョンも用意されています。

HTU31 を使用すれば、屋内環境を正確かつ高い信頼性で制御できます。これは、快適性の観点だけでなく、空気中の細菌やウイルスの拡散を制御するうえでも重要です。HTU31 のような湿度・温度センサは、CPAP やその他の呼吸器などのヘルスケア用途においても中心的な役割を果たします。その小さなサイズと高い精度は、さまざまな医療分野で正確かつ信頼性の高い湿度・温度情報を提供します。HTU31 は、直接デジタル形式または 0.5 V ～ 4.5 V の電圧でデータを出力し、湿度センシング素子と内蔵温度センサを使用して幅広い用途に役立つ 2 組の環境データを提供します。

高度な医用呼吸装置の多くは、患者に供給する調節された気流を加湿する機能を備えています。この加湿は、治療の快適性を高めるだけでなく、治療効果も向上させます。

HTU31 が適している他の用途として、冷蔵庫、加湿器、除湿器などの生活家電が挙げられます。HTU31 は非常に小さいため、占有面積が最小限に抑えられ、家電内のスペースを有効に活用できます。また、消費電力が少なく、スリープモードにも対応していることから、バッテリーで稼働する機器や電力消費量が重視される場所にも適しています。さらに、動作電圧が 3.0 V ～ 5.5 V と幅広いため、生活家電のほとんどの一般的な制御回路に使用できます。

HTU31 はプリンタやコピー機にも適しています。湿度と温度は紙の取り扱いやインク・トナーの供給において重要なパラメータであり、プロセスを効率化して良好な印刷結果を得るためにも無視できません。その高い信頼性と環境ロバスト性により、HTU31 はさまざまな商用・産業用・消費者向け印刷用途に適していることが裏付けられています。

商用および住宅用の気象観測所・気象観測装置でも、HTU31 は役立ちます。動作温度が -40°C ～ +125°C と広く、精度も高いことから、屋外やコストが重視される用途に適しています。

自動車の快適性および制御システムも、HTU31 が適している分野です。HTU31 の動作温度範囲は自動車業界のニーズに適合しており、その小さいサイズから狭いスペースに組み込んで温度変化に迅速に応答できます。湿度は、乗員の快適性だけでなく、窓やミラーの曇り止めの監視と制御という点でも重要です。

10. まとめ

TE Connectivity は、2.5 x 2.5 x 0.9 mm のサイズで表面実装可能な HTU31 という新しい湿度・温度デジタル出力複合センサを発表しました。個別にキャリブレーションされた高精度センサであり、トレーサビリティーを確保するためにシリアル番号が割り当てられています。通常精度は相対湿度では ±2%、温度では ±0.2°C となります。コンパクトな 6 ピン DFN パッケージで迅速な応答時間を提供し、電力消費の代表値はわずか 3.78 µW です。このセンサは、アドレスを設定可能なデジタル I²C 形式のものと、0.5 ～ 4.5 V の電圧を出力するアナログ形式のものが用意されています。

これで、TE の最新のセンサ技術の紹介を終わります。このセンサをぜひ今後の製品設計に組み込んでください。このセンサの詳細や TE が提供する幅広いセンサソリューションのラインナップについては、TE.com をご覧ください。