CN103792267A - 一种差分电容式湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分电容式湿度传感器包括衬底、固定梳齿电极、活动梳齿电极、第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和湿度敏感应变层；第一折叠式弹簧的一端与活动梳齿电极的上端连接，另一端固定在衬底上；第二折叠式弹簧的一端与活动梳齿电极的下端连接，另一端固定在衬底上；三者组成悬臂梁结构，悬置在衬底的上方；固定梳齿电极和活动梳齿电极相互交错形成差分式电容；湿度敏感应变层设置在第一或第二折叠式弹簧内，使湿度敏感应变层在吸湿膨胀后，能够带动悬臂梁结构移动，改变活动梳齿电极和固定梳齿电极的间距；湿度敏感应变层包括：聚酰亚胺感湿层。本发明实施例技术方案能提高线性度和精度，降低功耗，易于大规模生产。

Description

一种差分电容式湿度传感器

技术领域

本发明涉及湿度传感器技术领域，尤其涉及一种差分电容式湿度传感器。

背景技术

物联网技术的发展需要在传感模块集成大量的传感器来对不同类型的数据进行采集，因此减小传感器的体积、提升传感器性能一致性、降低传感系统能耗及传感器成本方面有着重要的意义。湿度传感器被广泛应用在汽车工业、航空航天、医学、军事、气象检测、环境卫生、生物科学、信息技术等领域，涉及到人们生活的方方面面。其发展由最初的干湿球湿度计、毛发湿度计等传统的湿度传感器到目前可以采用标准CMOS工艺制造的微型湿度传感器（包括电容式、电阻式、压阻式、光学式等类型）。近年来，新型纳米材料也被用于设计开发湿度传感器，如碳纳米管、石墨烯湿度传感器等。电阻式的湿度传感器由于采用的是电流工作的原理，当工作电流超过300uA时其产生的自加热效应会影响其精度，这限制了其在高精度湿度传感器中的应用。新型材料制作的传感器目前还处于概念阶段，其稳定性、一致性均没有得到很好的解决，在短时间内无法得到大规模生产。

电容式湿度传感器由于具有灵敏度高，动态响应时间短，制造成本低，热损耗极小等优点，因此在商用湿度传感器领域中应用最为广泛。目前，主要的电容式湿度传感器有三种，一种三明治式的薄膜式湿度传感器，感湿材料介于上下极板之间构成湿敏电容。第二种则将电极设计成叉齿形状，感湿材料介于叉齿之间。这两种传感器虽然灵敏度高，但是由于其直接将感湿材料（如聚酰亚胺）作为电介质，在高湿和低湿环境，其介电常数随湿度的非线性变化使得传感器的湿度测量范围变窄。第三种为悬臂梁式的电容湿度传感器，利用聚酰亚胺吸湿膨胀产生的应力改变悬臂梁的形状引起电容的变化来测量湿度，虽然可与CMOS兼容，但是为了得到高灵敏度，悬臂梁往往设计的很薄，容易发生断裂，使用寿命大大缩短。

发明内容

针对现有技术中电容式传感器非线性强、高湿度区损耗大、精度无法提升的缺陷，本发明实施例提出一种差分电容式湿度传感器，能提高线性度和精度，降低功耗，易于大规模生产。

本发明实施例提供一种差分电容式湿度传感器，包括衬底、固定梳齿电极、活动梳齿电极、第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和湿度敏感应变层；所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极组成悬臂梁结构，悬置在所述衬底的上方；所述固定梳齿电极固定在所述衬底上，且所述固定梳齿电极和活动梳齿电极相互交错形成差分式电容；所述湿度敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或所述第二折叠式弹簧内，使所述湿度敏感应变层在吸湿膨胀后，能够带动所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极移动，改变所述活动梳齿电极和所述固定梳齿电极的间距；所述湿度敏感应变层包括：聚酰亚胺感湿层；所述第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和固定梳齿电极上设置有用于测量所述差分式电容的电容值的金属电极。

进一步的，所述活动梳齿电极包括连接轴、第一活动电极单元和第二活动电极单元；所述第一活动电极单元包括多个的梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二活动电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；其中，X＞0；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的左侧，且垂直于所述连接轴；所述第二活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的右侧，且垂直于所述连接轴；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极和所述第二活动电极单元中的各梳齿电极相互错开排列，所错开的间距为Y；Y＜X。

进一步的，所述固定梳齿电极包括：第一固定电极单元和第二固定电极单元；所述第一固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第一固定电极单元中的梳齿电极与所述第一活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第一电容；所述第二固定电极单元中的梳齿电极与所述第二活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第二电容；所述第一固定梳齿电极单元中的梳齿电极和所述第二固定梳齿单元中的梳齿电极关于所述连接轴对称，使第一电容和第二电容组成所述差分式电容。

进一步的，所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，具体为：所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述连接轴的上端连接；所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，具体为：所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述连接轴的下端连接。

进一步的，所述固定梳齿电极通过压焊条固定在所述衬底上，所述压焊条还用于连接所述固定梳齿电极中的各个梳齿电极。

进一步的，所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的另一端和所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的另一端分别通过锚点固定在所述衬底上。

进一步的，所述湿度敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或第二折叠式弹簧内，具体为：所述第一折叠式弹簧或第二折叠式弹簧内设置有突出边框，所述湿度敏感应变层安装在所述突出边框内。

进一步的，所述固定梳齿电极和所述活动梳齿电极均为N型参杂硅梳齿电极；所述第一折叠式弹簧和所述第二折叠式弹簧均为N型参杂硅弹簧。

进一步的，所述衬底为玻璃、石英或单面氧化硅片衬底。

进一步的，所述金属电极为铝或金电极。

由上可见，本发明实施例提供的差分电容式湿度传感器，固定梳齿电极和活动梳齿电极相互交错形成差分电容，活动梳齿电极的上端和下端分别设置有第一折叠式弹簧和第二折叠式弹簧，三者组成一个悬臂梁结构。当设置在第一或第二折叠式弹簧中的湿度敏感应变层吸湿后而体积膨胀时，折叠式弹簧会在弹簧伸缩方向上推动活动梳齿电极，使固定梳齿电极与活动梳齿电极之间的间距发生改变，从而产生差分电容，再根据差分电容计算出对应的湿度。与现有技术中的三种电容传感器相比，本实施例技术方案通过湿度敏感应变层的体积膨胀而造成差分电容改变，从而计算出对应的湿度值，能提高测量的线性度和精度，降低功耗。另外本发明采用MEMS技术制作，还具有体积小，响应快，成本低，易于集成和大规模生产等优点。

进一步的，活动梳齿电极包括第一活动电极单元和第二活动电极单元，固定梳齿电极包括第一固定电极单元和第二固定电极单元，第一活动电极单元和第一固定电极单元相互交错组成第一电容，第二活动电极单元和第二固定电极单元相互交错组成第二电容。在湿度敏感层受到湿度改变而改变体积时，如膨胀使活动梳齿电极向上移动，由于第一活动电极单元和第二活动电极单元存在错开的间距Y，使得第一电容减小，第二电容增大，从而产生差分电容。再通过差分电容的电容值而计算得出湿度值，进一步提高测量的线性度和精度。

附图说明

图1是本发明提供的一种差分电容式湿度传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的差分电容式湿度传感器的结构示意图，该差分电容式湿度传感器包括由衬底10、固定梳齿电极2和活动梳齿电极1、第一折叠式弹簧31、第二折叠式弹簧32、湿度敏感应变层4、电极引线9以及金属电极5和8。

其中，第一折叠式弹簧31在伸缩方向上的一端与活动梳齿电极1的上端连接，在伸缩方向上的另一端固定在衬底10上；第二折叠式弹簧21在伸缩方向上的一端与活动梳齿电极1的下端连接，在伸缩方向上的另一端固定在衬底上10；第一折叠式弹簧31、第二折叠式弹簧32和活动梳齿电极1组成悬臂梁结构，悬置在衬底10的上方。固定梳齿电极2固定在所述衬底上，且固定梳齿电极2和活动梳齿电极1相互交错形成差分式电容。湿度敏感应变层4设置在第一折叠式弹簧31或所述第二折叠式弹簧32内，使湿度敏感应变层4在吸湿膨胀后，能够带动第一折叠式弹簧31、第二折叠式弹簧32和活动梳齿电极1移动，改变活动梳齿电极1和固定梳齿电极2的间距。第一折叠式弹簧31、第二折叠式弹簧32和固定梳齿电极2上设置有用于测量所述差分式电容的电容值的金属电极5和8。

在本实施例中，湿度敏感层4设置在第二折叠式弹簧32内，湿度敏感层4可以但不限于为聚酰亚胺感湿层。

在本实施例中，活动梳齿电极1包括连接轴、第一活动电极单元和第二活动电极单元；第一活动电极单元包括多个的梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；第二活动电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；其中，X＞0。如图1所示，第一活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在连接轴的左侧，且垂直于连接轴。第二活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在连接轴的右侧，且垂直于连接轴；第一活动电极单元中的各梳齿电极和第二活动电极单元中的各梳齿电极相互错开排列，所错开的间距为Y；且Y＜X。

在本实施例中，固定梳齿电极2包括：第一固定电极单元和第二固定电极单元；第一固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X。第二固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X。第一固定电极单元中的梳齿电极与第一活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第一电容（如图1所示的左侧电容）。第二固定电极单元中的梳齿电极与所述第二活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第二电容（如图1所示的右侧电容）。第一固定梳齿电极单元中的梳齿电极和第二固定梳齿单元中的梳齿电极关于连接轴对称，使第一电容和第二电容组成所述差分式电容。

在本实施例中，由于第一活动梳齿单元的各梳齿电极和第二活动电极单元中的各梳齿电极相互错开排列，如图1所示，左侧的各活动梳齿电极与其下面的各固定梳齿电极的间距较小，记为A；与其上面的固定梳齿电极的间距较大记为B。B可以但不限于等于2A至5A间的任一数值。右侧的各活动梳齿电极与其下面的各固定梳齿电极的间距较大，记为C；与其上面的固定梳齿电极的间距较小记为D。C可以但不限于等于2D至5D间的任一数值。第一电容的电容值取决于A的大小，第二电容的电容值取决于D的大小。当湿度敏感应变层4吸湿膨胀，带动第一折叠式弹簧31、活动梳齿电极1和第二折叠式弹簧32向上移动时，A增大，D减少，使得第一电容减少，第二电容增大，从而产生差分电容。

在本实施例中，第一折叠式弹簧31在伸缩方向上的一端与活动梳齿电极1的上端连接，具体为：第一折叠式弹簧31在伸缩方向上的一端与连接轴的上端连接。第二折叠式弹簧32在伸缩方向上的一端与活动梳齿电极1的下端连接，具体为：第二折叠式弹簧32在伸缩方向上的一端与连接轴的下端连接。

在本实施例中，第一折叠式弹簧31在伸缩方向上的另一端和第二折叠式弹簧32在伸缩方向上的另一端分别通过锚点7固定在衬底10上。

在本实施例中，在固定梳齿电极2和衬底10的固定处设置有压焊条6，以连接固定梳齿电极2中的各个梳齿电极。

在本实施例中，第一折叠式弹簧31或第二折叠式弹簧32内设置有突出边框，湿度敏感应变层4安装在突出边框内。

在本实施例中，金属电极5和8通过电极引线9分别与固定梳齿2、第一折叠式弹簧31和第二折叠式弹簧32连接。该金属电极可接外部电路用于测量差分式电容的电容值，从而计算出相应的湿度值。该电容值的测量方法为现有技术，在此不再赘述。

在本实施例中，如图1所示的电极引线9和金属电极5和8的布局是为了平衡电感，可以但不限于采用其他的连接方式。

在本实施例中，固定梳齿2和活动梳齿1均为N型参杂硅梳齿。第一折叠式弹簧31和第二折叠式弹簧32均为N型参杂硅弹簧。

在本实施例中，衬底10为玻璃、石英或单面氧化硅片衬底。

在本实施例中，金属电极均为铝或金电极；电极引线为铝或金引线。

由上可见，本发明实施例提供的差分电容式湿度传感器，固定梳齿电极2和活动梳齿电极1相互交错形成差分电容，活动梳齿电极1的上端和下端分别设置有第一折叠式弹簧31和第二折叠式弹簧32，三者组成一个悬臂梁结构。当设置在第一或第二折叠式弹簧中的湿度敏感应变层4吸湿后而体积膨胀时，折叠式弹簧会在弹簧伸缩方向上移动活动梳齿电极1，使固定梳齿电极2与活动梳齿电极1之间的间距发生改变，从而产生差分电容，再根据差分电容计算出对应的湿度。与现有技术中的三种电容传感器相比，本实施例技术方案通过湿度敏感应变层的体积膨胀而造成差分电容改变，从而计算出对应的湿度值，能提高线性度和精度，降低功耗。另外本发明采用MEMS技术制作，还具有体积小，响应快，成本低，易于集成和大规模生产等优点。

进一步的，活动梳齿电极1包括第一活动电极单元和第二活动电极单元，固定梳齿电极2包括第一固定电极单元和第二固定电极单元，第一活动电极单元和第一固定电极单元相互交错组成第一电容，第二活动电极单元和第二固定电极单元相互交错组成第二电容。在湿度敏感层受到湿度改变而改变体积时，如膨胀使活动梳齿电极向上移动，由于第一活动电极单元和第二活动电极单元存在错开的间距Y，使得第一电容减小，第二电容增大，从而产生差分电容。再通过差分电容的电容值而计算得出湿度值，进一步提高测量的线性度和精度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种差分电容式湿度传感器，其特征在于，包括衬底、固定梳齿电极、活动梳齿电极、第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和湿度敏感应变层；

所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极组成悬臂梁结构，悬置在所述衬底的上方；

所述固定梳齿电极固定在所述衬底上，且所述固定梳齿电极和活动梳齿电极相互交错形成差分式电容；

所述湿度敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或所述第二折叠式弹簧内，使所述湿度敏感应变层在吸湿膨胀后，能够带动所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极移动，改变所述活动梳齿电极和所述固定梳齿电极的间距；

所述湿度敏感应变层包括：聚酰亚胺感湿层；

所述第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和固定梳齿电极上设置有用于测量所述差分式电容的电容值的金属电极。

2.根据权利要求1所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述活动梳齿电极包括连接轴、第一活动电极单元和第二活动电极单元；所述第一活动电极单元包括多个的梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二活动电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；其中，X＞0；

所述第一活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的左侧，且垂直于所述连接轴；所述第二活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的右侧，且垂直于所述连接轴；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极和所述第二活动电极单元中的各梳齿电极相互错开排列，所错开的间距为Y；Y＜X。

3.根据权利要求2所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述固定梳齿电极包括：第一固定电极单元和第二固定电极单元；所述第一固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；

所述第一固定电极单元中的梳齿电极与所述第一活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第一电容；

所述第二固定电极单元中的梳齿电极与所述第二活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第二电容；

所述第一固定梳齿电极单元中的梳齿电极和所述第二固定梳齿单元中的梳齿电极关于所述连接轴对称，使第一电容和第二电容组成所述差分式电容。

4.根据权利要求2所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，具体为：所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述连接轴的上端连接；

所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，具体为：所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述连接轴的下端连接。

5.根据权利要求3所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述固定梳齿电极通过压焊条固定在所述衬底上，所述压焊条还用于连接所述固定梳齿电极中的各个梳齿电极。

6.根据权利要求1所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的另一端和所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的另一端分别通过锚点固定在所述衬底上。

7.根据权利要求1值6任一所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述湿度敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或第二折叠式弹簧内，具体为：

所述第一折叠式弹簧或第二折叠式弹簧内设置有突出边框，所述湿度敏感应变层安装在所述突出边框内。

8.根据权利要求1至6任一所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述固定梳齿电极和所述活动梳齿电极均为N型参杂硅梳齿电极；

所述第一折叠式弹簧和所述第二折叠式弹簧均为N型参杂硅弹簧。

9.根据权利要求1至6任一所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述衬底为玻璃、石英或单面氧化硅片衬底。

10.根据权利要求1至6任一所述的差分电容式湿度传感器，其特征在于，

所述金属电极为铝或金电极。

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