最后一个案例研究涉及多个重叠因素，每个因素对 RH 精度偏差的影响各不相同。需要进行系统的多阶段调查，以隔离和评估发热、污染和系统设计对观察到的传感器行为的影响。

问题说明

客户在气体检测应用中部署了 HDC2021 和 HDC3021 器件，其中 RH 传感器用于补偿气体传感器测量。RH 和气体传感器安装在外壳内，外壳上有一个通风孔，用于接触环境空气。

在测试期间，HDC2021 器件看上去在规格范围内运行，而所有 HDC3021 器件始终表现出 RH 负误差。HDC3021 全系列都受到影响。客户将样品模块退回 TI 进行故障分析。

调查阶段 1：测试复制和初始结果

在 TI，客户模块被置于含有静止空气的测试室中，并根据冷镜基准测量温度和 RH。如图 7-5 所示，HDC2021 显示了平坦的 RH 误差曲线，而 HDC3021 显示了负 RH 增益误差。这证实了客户的观察。

对测试数据的进一步分析表明，两种 RH 传感器报告的内部温度大约比基准高 2°C。这种差异表示局部加热。由于 RH 与温度相关，因此根据露点关系，传感器温度的升高会导致报告的 RH 降低。表 7-1 总结了加热的影响，表明 2°C 温升可能会产生大约：

• -2% 的 RH 误差（20% RH 环境条件下）
• -9% 的 RH 误差（80% RH 环境条件下）

这说明了 HDC3021 在负 RH 偏移和增益误差方面存在明显差异。但是，由于两个传感器都会出现发热情况，因此 HDC2021 的“符合规格”结果会产生误导。其真正的 RH 精度包括正 RH 偏移和增益误差，该误差被发热引起的负偏移所掩盖。

调查阶段 2：发热隔离和重新评估

为了隔离发热效应，TI 从客户模块中拆下了 RH 传感器并将其安装在 TI 测试板上。在受控环境测试室中，使用风扇循环潮湿空气，以确保整个测试室温度均匀。在这种热优化型环境中，两个传感器都显示了真正的正 RH 偏移和增益误差。HDC3021 的误差比 HDC2021 小，但仍超出规格，如图 7-6所示。

调查阶段 3：故障分析和污染检测

为了确定任何污染或可能的传感器损坏，TI 对客户退回的器件进行了故障分析。对以下两种传感器类型都进行了故障分析：

• HDC2021：光学和 SEM 检查显示聚合物腔内存在可见污染。EDX 分析检测到 Cl、S、Sn、Ca 和 Al 的异常水平 — 表明存在外部化学暴露。

• HDC3021：SEM 成像显示整个表面的圆点图案，暗示胶带盖下方存在污染。保护膜在组装过程中可能会翘起，可能造成暴露。

使用已知良好的器件替换 HDC3021，以进行 ABA 交换。在受控气流（静止空气与风扇接通）下进行测试时，新装置恢复到规格内的性能，确认先前的测量值同时受到内部发热和传感器损坏的影响，如图 7-7所示。

调查阶段 4：根本原因回溯和材料审核

隔离发热效应后，这两种传感器都表现出与化学污染一致的正 RH 增益误差。考虑到该问题影响传感器全系列的问题，根源可追溯到制造或存储过程中的系统性问题。

客户提供了所有的全部材料的文档和 MSDS 表。TI 发现免清洗焊膏中存在聚乙二醇醚。已知该溶剂与乙二醇类似，会导致 RH 传感器偏移和增益误差。HDC302x 器件用户指南明确建议避免接触乙二醇基溶剂。乙二醇基溶剂会由于分子的极性而导致 RH 误差，这会改变检测聚合物的相对介电常数，如图 7-8所示

一种更安全的替代方案是推荐的焊膏 Kester R276，它不含已知的挥发性污染物。

结论

在此示例中，确定了三个不同的误差源：

1. PCB/外壳发热 -> 负 RH 误差

2. 化学污染 -> 正 RH 偏移/增益

3. 测试设置不匹配 -> 掩盖真实性能

根本原因和缓解措施如下：

• HDC2021 明显符合规格的行为由相反的误差矢量（发热和污染相互抵消）造成。
• 用户必须确保 PCB 布局和外壳设计能够更大限度地减少局部发热，以使 RH 传感器测量真实的环境条件。
• RH 测试设置必须使用放置在传感器附近和外壳内部的参考探头，以反映相同的本地环境。PCB 发热改变了传感器周围的条件，因此在本地环境之外使用探头进行测试会产生误导性的 RH 精度结果。
• 污染预防至关重要：避免使用焊膏或含有挥发性乙二醇或溶剂的材料。TI 建议免清洗焊膏和助焊剂，并且在组装后不要清洁 PCB。始终查阅 MSDS 文档以确保兼容性。即使是免清洗焊膏也会产生挥发性化学污染物。
• 在热敏感型应用（例如，与气体传感器共同封装）中，测量补偿算法必须考虑局部发热效应。PCB 和外壳的设计必须使 RH 传感器的结温与环境温度相匹配，以获得出色的精度。