Quantification

Quantification et mesure des phénomènes non électriques : Humidité

(Last Updated On: 20 mars 2022)

L’humidité est la concentration de vapeur d’eau dans l’air. Trop ou trop peu d’humidité peut nuire au fonctionnement des appareils électroniques. Cette FAQ commence par examiner quelques concepts de base liés à l’humidité et à l’impact que l’humidité peut avoir sur l’électronique. Il examine ensuite l’importance d’utiliser l’humidité dans les tests de vie accélérés de l’électronique et diverses façons de mesurer l’humidité et se termine en tenant compte du « paradoxe de l’humidité » et de l’attente que la hausse des températures due au réchauffement climatique devrait entraîner des niveaux d’humidité plus élevés, mais les mesures d’humidité réelles diminuent.

Les trois mesures de base de l’humidité sont; absolu, relatif et spécifique. L’humidité absolue est exprimée en grammes de vapeur d’eau par mètre cube d’air ou en grammes de vapeur d’eau par kilogramme d’air. L’humidité relative (pourcentage HR) est généralement exprimée en pourcentage et mesure le niveau d’humidité absolu actuel par rapport au niveau d’humidité maximal possible à la même température. L’humidité spécifique mesure le rapport entre la masse de vapeur d’eau et la masse totale de l’air plus la vapeur d’eau.

La capacité de l’air à retenir la vapeur d’eau – l’humidité – dépend de la pression et de la température de l’air. Par exemple, les mêmes grammes de vapeur d’eau entraînent une humidité plus élevée dans l’air frais que dans l’air chaud. Et la quantité de vapeur d’eau nécessaire pour atteindre la saturation augmente à mesure que la température augmente. Par exemple, à 30 ° C, un mètre cube d’air peut contenir 28 grammes d’eau, tandis qu’à huit ° C, un mètre cube d’air peut contenir seulement 8 grammes d’eau.

La pression d’air et les pressions partielles sont des concepts importants liés à l’humidité. La pression atmosphérique au niveau de la mer génère une force d’environ 101 000 Newtons par mètre carré, qui est définie comme un Pascal (Pa) de pression. Cette pression est la somme des pressions partielles des gaz constitutifs dans l’atmosphère, y compris la vapeur d’eau, qui est la composante la plus variable. La pression de saturation en vapeur d’eau correspond à la pression maximale de vapeur d’eau à une température donnée. Le pourcentage d’HR définit le pourcentage de vapeur d’eau présent à cette température par rapport au point de saturation, et il varie avec la température (Figure 1).

 Quantification Sciences & Technologie
Figure 1 : La pression de saturation de l’eau correspond à 100 % d’humidité et varie avec la température. (Image : Vaisala)

Point de rosée

Les appareils et systèmes électroniques sont généralement conçus pour fonctionner dans des conditions d’humidité limitées telles que 10 à 90% HR. Quelle que soit la plage d’humidité de fonctionnement indiquée, une préoccupation particulière avec les appareils électroniques est la condensation et le point de rosée. Le point de rosée dans la température de l’air doit être refroidi (à pression constante) pour atteindre 100 % d’HR. À ce stade, l’air ne peut pas contenir plus d’eau sous forme de gaz. Si l’air devait être refroidi encore plus, de la rosée pourrait se produire, ce qui peut causer de la corrosion et des courts-circuits électriques, ce qui endommage gravement l’équipement électrique (Figure 2). Cette température varie en fonction de l’humidité et de la pression.

 Quantification Sciences & Technologie
Figure 2 : Le fonctionnement au point de rosée peut provoquer de la corrosion, des courts-circuits et de graves dommages à l’électronique. (Image : IQ Home)

Tests THB et BHAST et ESD

Des niveaux d’humidité élevés sont importants dans les tests de durée de vie accélérée et dans les tests conçus pour stresser les appareils jusqu’au point de défaillance. Deux tests courants sont le test de stress de température et d’humidité hautement accéléré biaisé (BHAST) défini par le Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) JESD22-A110 et le test de durée de vie du biais d’humidité de température à l’état d’équilibre (THB) défini par JESD22-A101. Ces tests sont collectivement appelés les tests 85/85 pour 85 ° C et 85% HR car ils sont effectués dans des conditions d’au moins 85 ° C simultanément avec 85% HR.

Un BHAST nécessite 96 heures de polarisation électrique tout en maintenant 130 ° C et 85% HR, en plus d’une pression de vapeur d’eau de 33,5 livres par pouce carré absolu (PSIA) (remarque: la pression de vapeur de l’eau à température ambiante est de 0,2 psi pression absolue) pour accélérer la formation de corrosion dans l’appareil. BHAST est conçu pour garantir que les dispositifs à semi-conducteurs fonctionneront de manière fiable, même lorsqu’ils sont exposés à des environnements humides, en accélérant la pénétration de l’humidité dans l’emballage et sur la matrice semi-conductrice.

Un test THB est moins stressant et élimine la composante pression du BHAST. THB teste le même mécanisme de défaillance mais avec un facteur d’accélération beaucoup plus faible. Au lieu de fonctionner pendant 96 heures, un test THB peut durer 1 000 heures. THB et BHAST peuvent également être utiles pour tester les cartes de circuits imprimés, les connexions et d’autres éléments du système affectés par l’humidité et la température.

Une faible humidité peut également être nocive pour les appareils électroniques. Les matériaux peuvent devenir fragiles si l’humidité est trop faible. Et une faible humidité peut entraîner des décharges électrostatiques (ESD) qui peuvent provoquer une panne diélectrique et des dommages irréversibles aux dispositifs semi-conducteurs et à d’autres composants. En conséquence, les grandes installations telles que les installations de fabrication de produits électroniques, les hôpitaux et les centres de données surveillent souvent les niveaux d’humidité.

L’humidité dans l’air agit comme un conducteur naturel, drainant toute charge statique potentielle. Plus l’humidité est faible, plus le risque d’accumulation d’électricité statique et d’ESD est élevé. En général, un HR inférieur à 40 % peut entraîner des préoccupations en matière d’EDD. À un HR inférieur à 30 %, les charges ESD peuvent dépasser 10 kV (Figure 3). L’accumulation statique et les problèmes d’ESD sont éliminés lorsque l’HR est supérieure à 55%, et les environnements humides avec des composants électroniques sensibles recherchent au moins 55% d’HR.

 Quantification Sciences & Technologie
Figure 3 : Les tensions ESD augmentent à mesure que l’HR baisse et peuvent causer un danger pour les appareils électroniques sensibles. (Image : IQ Home)

Mesure de l’humidité

Les capteurs d’humidité intégrés utilisés dans les systèmes électroniques mesurent généralement le pourcentage d’HR et de température. En combinant ces mesures, il est possible d’obtenir des estimations précises de l’humidité absolue et du point de rosée. Les technologies de capteurs d’humidité les plus courantes dans les systèmes électroniques sont résistives et capacitives.

Les capteurs d’humidité résistifs peuvent être sensibles aux vapeurs chimiques et à la fumée et ne peuvent souvent pas être utilisés à des températures de 60 ° C ou plus. Cependant, ils sont peu coûteux et petits. Ils sont en concurrence avec les capteurs capacitifs dans les applications industrielles, domestiques ou résidentielles et commerciales qui ne nécessitent pas un fonctionnement à haute température.

Les capteurs d’humidité capacitifs sont disponibles pour fonctionner de -40 à +125 °C. Ils ont un fonctionnement stable de longues périodes et peuvent mesurer de larges plages de pourcentage d’HR. Leur tension de sortie est linéaire. Les applications typiques des capteurs d’humidité capacitifs comprennent les systèmes CVC, les automobiles, l’aérospatiale, les dispositifs médicaux, les réfrigérateurs, les fours et les séchoirs, les imprimantes et les télécopieurs.

Dans une application typique, un capteur d’humidité est associé à un microcontrôleur (MCU). Le microcontrôleur acquiert des données d’humidité et de température à partir du capteur, qui peut surveiller l’environnement de fonctionnement et déterminer l’humidité absolue et le point de rosée (Figure 4). Dans un système CVC, ces données contrôlent le système et maintiennent les conditions environnementales souhaitées.

 Quantification Sciences & Technologie
Figure 4 : Schéma fonctionnel du capteur d’humidité et de température capacitif intégré. (Image : Texas Instruments)

L’appareil doit être isolé de toutes les sources de chaleur étrangères pour améliorer la précision des capteurs d’humidité. La chaleur perturbatrice peut être générée par des composants résistifs, des batteries, des circuits actifs et même certains écrans. Il est également important de limiter la fréquence des mesures pour éviter l’auto-échauffement du capteur. La consommation d’énergie est importante dans les applications de détection d’humidité alimentées par batterie, telles que les thermostats de système CVC. C’est une autre raison de limiter la fréquence des mesures. Certains capteurs capacitifs d’humidité et de température ont une consommation de courant inférieure à 800 nA lorsqu’ils sont utilisés pour des mesures effectuées à des intervalles de 1 seconde.

Le réchauffement climatique et le paradoxe de l’humidité

Les observations à long terme de l’humidité dans le monde entier montrent que l’humidité spécifique a augmenté tandis que le pourcentage d’HR dans de nombreuses régions a diminué. Ce paradoxe résulte du fait que la Terre se réchauffe et que l’air plus chaud peut contenir plus de vapeur d’eau. Sans facteurs limitatifs, l’air peut contenir environ 7% de vapeur d’eau en plus à chaque augmentation de température de 1 ° C. En d’autres termes, pour que le pourcentage d’HR reste constant sous 1 ° C de réchauffement, la teneur en vapeur dans l’air doit augmenter de 7%.

Dans le monde réel, cependant, les facteurs limitants font baisser le pourcentage d’HR, même lorsque l’humidité spécifique augmente. Les océans se réchauffent plus lentement que les masses continentales. Le réchauffement plus lent des océans a entraîné moins d’évaporation de l’eau que nécessaire pour suivre la hausse des températures des masses continentales. En conséquence, l’atmosphère n’est pas aussi saturée qu’elle l’était et le pourcentage d’HR a diminué (figure 6).

 Quantification Sciences & Technologie
Figure 5 : Le « paradoxe de l’humidité » est qu’à mesure que la terre se réchauffe, l’atmosphère devrait contenir plus d’HR. Néanmoins, le niveau d’HR a diminué en raison du réchauffement plus lent des océans, ce qui a entraîné un taux d’évaporation plus lent par rapport au taux d’augmentation de la température des masses continentales. (Image : Met Office)

Résumé

L’humidité est un phénomène important et complexe. L’utilisation de niveaux d’HR de 85 % peut être un aspect clé des tests de durée de vie accélérée des composants et systèmes électroniques. Et une fois que le système est sur le terrain, il est important que l’humidité ne soit pas trop faible pour éviter la génération d’ESD dommageables. Dans de nombreuses applications industrielles, aérospatiales, électroménagers et médicales, des capteurs d’humidité sont nécessaires pour surveiller le niveau d’humidité et assurer le bon fonctionnement du système. Les complexités de l’humidité sont mises en évidence dans le « paradoxe de l’humidité » et l’attente que la hausse des températures due au réchauffement climatique devrait entraîner des niveaux d’humidité plus élevés, mais les mesures d’humidité réelles diminuent.

Références:

Source : Quantification et mesure des phénomènes non électriques : Humidité (testandmeasurementtips.com)

85°C/85% HR Accelerated Life Test Impact on Humidity Sensors, Texas Instruments

A Guide to the Measurement of Humidity, National Physical Laboratory

Effects of Relative Humidity on Electronics, IQ Home

Humidity, Wikipedia

Investigating climate change’s ‘humidity paradox’, CarbonBrief

Make Your Job Easier with Humidity Conversion Formulas, Vaisala


Merci de votez pour cet article :
Pas malMoyenBienAcès bienExcélent (No Ratings Yet)
Loading...

Laisser un commentaire

Translate »