JHM2051 温湿度计应用方案-感算商城

JHM2051在温湿度计中的应用

JHM2051是一款针对单电容传感器的低功耗、高精度信号调理集成电路。待测电容与芯片直接连接，由芯片内部的16-bitΣΔCDC电路转换为数字信号，其电容有效分辨率可达40 aF(13.4 bit)，峰峰值分辨率可达280aF(10.7 bit)。最大的待测电容变化范围为0.94 pF或0.47 pF，最大共模电容范围分别为7 pF或0.35 pF。JHM2051内置高线性度的温度传感器，温度分辨率可达0.04℃。

主要特征

电源电压：2.0~5.5V
平均电流：~4μA@1Hz ODR
支持单电容传感器
其电容有效分辨率约为40aF(13.4bit，量程4.7pF)
待测电容变化范围：0.94pF 或0.47pF
待测电容共模范围：7pF 或3.5pF
内置温度传感器3σ噪声：0.15°C
集成非线性补偿和温度补偿，可同时对传感器的零点温漂、灵敏度温漂和非线性度进行最高二阶补偿
I²C通信协议，支持Standard、Fast mode、Fast mode plus 模式
带有非易失性存储器(OTP)，可保存传感器的校准参数，最多支持两次校准
支持MEMS传感器自加热功能

主要应用

温湿度计各种单电容传感器

JHM2051结构框图

裸片尺寸及定义

裸片尺寸（含划片槽）: 650μm x 810μm = 0.53mm2

裸片尺寸（不含划片槽）: 590μm x 750μm = 0.44mm2

划片槽宽度Scribeline（distance between two core dice on wafer）:60μm

Pads size: 60μm x 60μm

JHM2051 裸芯片尺寸

引脚定义

电路描述

电容测量

JHM2051支持对外部单电容的测量，不支持对差分电容的测量。JHM2051和外部电容传感器的连接方式见下图，包含激励端（EXC）和电容输入端（CIN）。为了获得较好的结果，推荐将寄生电容小、不易受到外界干扰的电容电极接在CIN上，另一端接在EXC上。

电容传感器接口

待测电容C1的变化范围为C1min~C1max，其中 C1min和 C1max要满足下表的要求。

其中CC[6:0]在OTP地址0x03的Bit[6:5]。

JHM2051对C1进行测量时将使用内部的补偿电容抵消C1的共模电容。片内补偿电容的大小由 OTP 中的 CC[4:0]控制。

CC[4:0]应该按下面的条件进行选择

测量外部电容时CDC的过采样率OSR将影响电容测量的时间和精度。在出厂校准时，可以指定全部共8种测电容过采样率设置，完成校准后，终端用户可使用3种过采样率测量（High, Medium, Low）。下表是测电容的过采样率选择与电容转换时间、噪声、分辨率的关系。

温度测量

JHM2051 集成了温度传感器，其测量范围为-45°C~130°C。内部温度传感器信号进入ADC后被转换为16位的无符号整数输出。温度数据进入后续的校准计算模块对外部电容传感器的温度漂移进行补偿计算。在出厂校准时，可以指定全部共8种测温过采样率设置。完成校准后，终端用户可使用3种测温过采样率（High, Medium, Low）。在芯片出厂时，温度传感器并未经过校准，因此无法保证温度数据的绝对精度。

功能描述

工作模式

JHM2051有3种不同的工作模式，休眠模式(SLEEP Mode)、正常模式(NOR Mode)和命令模式(CMD Mode)。这三种工作模式转换机制如下图所示。

工作模式转换

SLEEP Mode：SLEEP模式是芯片上电后的默认工作模式。在此模式下，内部电路除I²C接口电路外其余电路全部关闭，消耗的电流典型值约为 0.1μA。

NOR Mode：在SLEEP模式下，用户发送一条有效的I²C控制命令才能进入NOR模式。一般情况下，JHM2051在NOR模式完成一次电容和温度的测量及校准计算过程或其他操作，将计算结果保存在输出缓冲区中，完成后自动进入SLEEP模式以节省功耗。

CMD Mode：CMD模式与NOR模式的行为完全一致，收到控制命令后也将进行相应的操作，但完成后芯片不返回SLEEP模式，仍处于CMD 式，所有电路一直处于上电状态。此模式主要用于传感器出厂前的OTP编程，不推荐最终传感器用户使用。

传感器加热功能

某些湿度传感器需要加热MEMS以去除表面的冷凝水，以免影响湿度传感器对空气中的湿度变化做出响应。另外，周期性地加热湿度MEMS传感器也可以使其长时间在高湿环境下无蠕变地工作。JHM2051支持对片外MEMS元件进行加热控制。注意，这需要片外 MEMS元件集成用于加热的电阻，均匀布置在湿度电容下方或周围，阻值一般不可小于55Ω，并按下图的方式连接。

加热功能实现原理

通过发送加热相关的I²C命令，JHM2051打开晶体管SW，使MEMS上的加热电阻流过电流发热。根据I²C命令的不同，可实现3种不同的发热功率和2种不同的加热时间。

I²C接口

读出温湿度原始值命令

0xAB命令使用指定的OSR_C、OSR_T 和补偿电容CC进行一次温度和电容的测量，并将电容和温度的16bit原始CDC测量数据保存在输出缓冲区中。此命令仅用于传感器生产过程，不应向最终传感器用户开放。后续的I²C读操作将会返回电容和温度的16bit原始CDC测量数据。最后的CRC字节是可选的，如无需要可以发送NACK并结束I²C通信。