CN110006549A - 一种一体化结构的柔性温湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体化结构的柔性温湿度传感器，属于柔性传感器领域，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设置有敏感单元，所述敏感单元包括温度敏感单元和湿度敏感单元，所述柔性衬底上还设置有微型电路芯片和供电单元，所述微型电路芯片用于处理来自敏感单元的信号，所述供电单元用于对微型电路芯片进行供电，一体化的设计，使得柔性温湿度传感器使用更加方便。

Description

一种一体化结构的柔性温湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种一体化结构的柔性温湿度传感器及其制备方法。
背景技术
温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。由于温度与湿度不管是从物理量本身来看，还是在实际人们的生活中的运用来看，它们都有着密不可分的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。
传统温湿度传感器体积、重量及功耗都较大且结构刚性，而柔性温湿度传感器可弯曲拉伸、轻便、体积小，可用于可穿戴设备中。但是，目前国内外柔性温湿度传感器存在以下问题：
1.柔性衬底形变巨大，这对温湿度测量结果的精度有严重干扰，即器件形变时和未形变时测量结果相差很大，这是柔性传感器(包括温湿度传感器)所面临的共性技术难题。
2.在目前所查阅到的文献中还未见将信号处理电路与柔性温湿度敏感单元集成的报道。而为最终实现微型化、智能化柔性温湿度传感器，信号处理单元必须与温湿度敏感单元集成在一块柔性基板并将待测信号数字化，以方便与后端控制中心进行通信。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种一体化结构的柔性温湿度传感器及其制备方法，解决了目前的柔性温湿度传感器无法实现温湿度敏感单元与处理电路一体化设计的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种一体化结构的柔性温湿度传感器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设置有敏感单元，所述敏感单元包括温度敏感单元和湿度敏感单元，所述柔性衬底上还设置有微型电路芯片和供电单元，所述微型电路芯片用于处理来自敏感单元的信号，所述供电单元用于对微型电路芯片进行供电。
进一步的，所述微型电路芯片包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述ASIC芯片通过I2C接口方式与无线传输芯片电连接，所述ASIC芯片用于处理来自敏感单元的信号，所述无线传输芯片用于将ASIC芯片处理后的信号通过中继网关与远程控制中心进行交互。
进一步的，所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿电路、I2C接口和电源及偏置管理单元。
进一步的，所述柔性衬底上表面设置有两个凸台，所述柔性衬底的下表面设置有与上表面对称有凸台，所述凸台的高度为25-35μm，所述柔性衬底上表面的两个凸台上分别设置有温度敏感单元和湿度敏感单元，所述柔性衬底下表面与温度敏感单元对称的一个凸台上设置温度补偿单元，所述柔性衬底下表面的另一个凸台上设置湿度补偿单元，所述温度敏感单元和温度补偿单元串联后接入所述微型电路芯片，所述湿度敏感单元和湿度补偿单元分别接入所述微型电路芯片。
进一步的，所述凸台为方形。
进一步的，所述温度敏感单元为双螺旋结构，所述温度补偿单元与温度敏感单元为相同的单元。
进一步的，所述温度敏感单元、温度补偿单元、湿度敏感单元和湿度补偿单元上均设置有保护层。
一种一体化结构的柔性温湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用多次流延的方式，在带凹槽的模具上制备双面均带两个方形凸台的柔性衬底；
步骤2：在所述柔性衬底上下表面对称的两个凸台上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元和温度补偿单元；
步骤3：在所述柔性衬底上下表面对称的另外两个凸台上制作下金属电极，将湿度敏感材料旋涂在带有下电极上，放在烤箱中烤干作为湿敏薄膜，在所述湿敏薄膜上制备上金属电极，完成湿度敏感元件和湿度补偿单元的制备；
步骤4：在所述温度敏感单元的上表面、温度补偿单元下表面、湿度敏感单元的上表面和湿度补偿单元的下表面采用旋涂工艺制备保护层；
步骤5：制作所述ASIC芯片，所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿、I2C接口和电源及偏置管理单元；
步骤6：将无线传输芯片与所述ASIC芯片电连接，形成微型电路芯片，将所述微信电路芯片和供电单元粘贴在所述柔性衬底的非凸台区域，并通过柔性衬底金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片、供电单元、温度敏感单元、湿度敏感单元、湿度补偿单元和温度补偿单元之间的电连接。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.将柔性衬底进行微结构设计，并进行仿真，仿真结果表明，外加拉力时，凸台应力应变显著低于平面区域，并且凸台的高度为25-35μm具有最小的应力及应变。因此，将温度敏感单元和湿度敏感单元放置于凸台上，将最有利于降低形变对柔性温湿度传感器的测量信号的影响，从而提高其性能。
2.柔性衬底相比传统刚性衬底，其最大的特点就是易弯曲变形大，由于金属材料的电阻应变效应，柔性衬底形变将引起虚假温度信号，因此，如何降低形变引起的电阻变化成为柔性温度传感器能否准确测温的关键，而温敏单元螺旋结构的设计可有效消除水平面内任意方向的形变影响。
3.在垂直方向，受力方向改变时引起的温敏电阻变化刚好相反，因此若在柔性衬底上下表面相同位置均放置温敏电阻，则在空间形变下，两表面的金属条将感受符号相反，幅值相近的形变，这样将可以大大减小空间形变引起的电阻变化，因此，若将两金属串联后的电阻作为测温电阻，则不但形变影响大大削弱，温度输出信号还将提高一倍。
4.在柔性衬底上下表面相同位置放置湿度敏感单元和湿度补偿单元，在空间形变下，两表面的单元将发生相近的电容变化，两单元分别连入ASIC芯片，湿度敏感单元和湿度补偿单元信号在处理电路中串联相减，从而有效降低形变对温湿度信号的影响。
5.通过ASIC芯片的工作可以实现高精度、高可靠、数字化温度信号输出。
6.将温湿度传感器的敏感单元与信号处理电路进行一体化设计，这样使得柔性温湿度传感器器件体积小，重量轻，功耗低，柔性可穿戴，且实现了信号采集与处理两种功能的集成，为传感器智能化奠定良好基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明整体结构的立体图；
图2为本发明整体结构的后视图；
图3为本发明整体结构的仰视图；
图4为本发明整体结构的俯视图；
图5为本发明中温度敏感单元的结构图；
图6为本发明中温度敏感单元应变电阻计算简化模型；
图7为本发明中电路结构的架构图；
图中标记：1-柔性衬底，201-凸台A，202-凸台B，203-凸台C，204-凸台D，301-温度敏感单元，302-温度补偿单元，303-湿度敏感单元，304-湿度补偿单元，4(4a，4b)-保护层，5-微型电路芯片，6-供电单元，7(7a，7b)-上电极，8(8a，8b)-下电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种一体化结构的柔性温湿度传感器，包括柔性衬底1，所述柔性衬底1上设置有敏感单元，所述敏感单元包括温度敏感单元301和湿度敏感单元303，所述柔性衬底1上还设置有微型电路芯片5和供电单元6，所述微型电路芯片5用于处理来自敏感单元的信号，所述供电单元6用于对微型电路芯片5进行供电。
所述微型电路芯片5包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述ASIC芯片通过I2C接口方式与无线传输芯片电连接，所述ASIC芯片用于处理来自敏感单元的信号，所述无线传输芯片用于将ASIC芯片处理后的信号通过中继网关与远程控制中心进行交互。
所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿电路、I2C接口和电源及偏置管理单元。
所述柔性衬底1上表面设置有两个凸台，所述柔性衬底1的下表面设置有与上表面对称有凸台，所述凸台的高度为25-35μm，所述柔性衬底1上表面的两个凸台上分别设置有温度敏感单元301和湿度敏感单元303，所述柔性衬底1下表面与温度敏感单元301对称的一个凸台上设置温度补偿单元302，所述柔性衬底1下表面的另一个凸台上设置湿度补偿单元304，所述温度敏感单元301和温度补偿单元302串联后接入所述微型电路芯片5，所述湿度敏感单元303和湿度补偿单元304分别接入所述微型电路芯片5。
所述凸台为方形。
所述温度敏感单元301为双螺旋结构，所述温度补偿单元302与温度敏感单元301为相同的单元。
所述温度敏感单元301、温度补偿单元302、湿度敏感单元303和湿度补偿单元304上均设置有保护层4。
一种一体化结构的柔性温湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用多次流延的方式，在带凹槽的模具上制备双面均带两个方形凸台的柔性衬底1；
步骤2：在所述柔性衬底1上下表面对称的两个凸台上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元301和温度补偿单元302；
步骤3：在所述柔性衬底1上下表面对称的另外两个凸台上制作下金属电极，将湿度敏感材料旋涂在带有下电极上，放在烤箱中烤干作为湿敏薄膜，在所述湿敏薄膜上制备上金属电极，完成湿度敏感元件和湿度补偿单元304的制备；
步骤4：在所述温度敏感单元301的上表面、温度补偿单元302下表面、湿度敏感单元303的上表面和湿度补偿单元304的下表面采用旋涂工艺制备保护层4；
步骤5：制作所述ASIC芯片，所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿、I2C接口和电源及偏置管理单元；
步骤6：将无线传输芯片与所述ASIC芯片电连接，形成微型电路芯片5，将所述微信电路芯片和供电单元6粘贴在所述柔性衬底1的非凸台区域，并通过柔性衬底1金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片5、供电单元6、温度敏感单元301、湿度敏感单元303、湿度补偿单元304和温度补偿单元302之间的电连接。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种一体化结构的柔性温湿度传感器，包括柔性衬底1，所述柔性衬底1上设置有敏感单元，所述敏感单元包括温度敏感单元301和湿度敏感单元303，所述柔性衬底1上还设置有微型电路芯片5和供电单元6，所述微型电路芯片5用于处理来自敏感单元的信号，所述供电单元6用于对微型电路芯片5进行供电，一体化设计，使柔性温湿度传感器使用起来更加方便。
所述微型电路芯片5包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述ASIC芯片通过I2C接口方式与无线传输芯片电连接，所述ASIC芯片用于处理来自敏感单元的信号，所述无线传输芯片用于将ASIC芯片处理后的信号通过中继网关与远程控制中心进行交互。
所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿、I2C接口和电源及偏置管理单元。通过ASIC芯片的工作可以实现高精度、高可靠、数字化温湿度信号输出。
所述温度信号读取电路读取温度敏感单元301的温度信号，所述湿度信号读取电路读取湿度敏感单元303的湿度信号，所述温度信号和湿度信号均经A/D转换器传输至数字信号处理电路进行处理，所述传感器信号补偿电路与数字信号处理电路连接，用于对温度信号和湿度信号进行非线性的电路补偿，提高温度和湿度的检测精度，所述数字信号处理电路将处理后的信号通过无线传输芯片向远程控制中心，供电单元6通过所述电源及偏置管理单元为整个ASIC芯片及无线传输芯片提供电能，ASIC芯片的具体电路均为本领域技术人员的常规设计。
实施例2
本发明基于实施例1的一体化结构，进一步提供一种高精度的柔性温湿度传感器，具体为：
所述柔性衬底1上表面设置有凸台A201和凸台C203，所述柔性衬底1的下表面设置有凸台A201对称的凸台B202和与凸台C203对称的凸台D204，所述凸台和柔性衬底1一体化形成，且为方形，方便温度敏感单元301和温度补偿单元302进行粘贴，所述凸台高度为30μm时最有利于降低形变对柔性温度传感器测量信号的影响；所述凸台A201上设置温度敏感单元301，所述凸台C203上设置湿度敏感单元303，所述凸台B202上设置有温度补偿单元302，所述凸台D204上设置有湿度补偿单元304，所述温度敏感单元301和温度补偿单元302串联后接入ASIC芯片的温度信号读取电路，并在数字信号处理电路中串联相加，所述湿度敏感单元303和湿度补偿单元304分别接入ASIC芯片中的湿度信号读取电路，并在数字信号处理电路中串联相减，从而有效降低形变对温湿度信号的影响。
所述温度补偿单元302和温度敏感单元301相同，所述湿度补偿单元304和湿度敏感单元303相同。
在所述柔性衬底1上下表面相同位置放置温敏电阻，温度补偿单元302可对温度敏感单元301进行补偿，当温度补偿单元302和温度敏感单元301完全相同时，垂直方向受力方向改变时引起的温敏电阻变化刚好相反，在空间形变下，两表面的金属条将感受符号相反，幅值相近的形变，即若柔性衬底1上表面形变引起温度敏感单元301的变化为ΔRS，则柔性衬底1下表面形变引起温度补偿单元302的变化为-ΔRS，这样将可以大大减小空间形变引起的电阻变化，因此，若温度引起的电阻变化为RT，柔性衬底1上表面温度敏感单元301为R+ΔRS+RT，柔性衬底1下表面温度补偿单元302为R-ΔRS+RT，将完全相同的温度补偿单元301和温度敏感单元302进行串联后作为测温电阻，则测温电阻为2(R+RT)，不但形变影响大大削弱，温度输出信号还将提高一倍。
在所述柔性衬底1上下表面相同位置放置湿敏单元，湿度补偿单元304可对湿度敏感单元303进行补偿，湿度补偿单元304和湿度敏感单元303完全相同，当由于形变造成的湿度敏感单元303的电容变化为ΔCT时，形变造成的湿度补偿单元304的电容变化也为ΔCT，两单元分别连入ASIC芯片，湿度敏感单元303和湿度补偿单元304信号在处理电路中串联相减，从而有效降低形变对温湿度信号的影响。
实施例3
本实施例基于实施例2，用于对温度敏感单元301的结构进行说明。
所述温度敏感单元301和温度补偿单元302均为Pt金属电阻，可采用普通结构的温敏电阻，但更优的是采用双螺旋结构，双螺旋结构可以有效的消除水平面内任意方向的形变影响，其原理如下：
根据应变定义及泊松定律，从图5-6中可知，圆形金属条与水平方向夹角θ的微元弧段dl在水平方向应变εx下其电阻相对变化量为：
则整个圆周金属条的因应变引起的相对电阻变化为：
其中，R表示电阻，μs表示泊松系数，ρ表示电阻率，θ表示圆形金属条与水平方向夹角，l表示金属条的长度，εx表示水平方向的应变。
可见，由于对称性，水平面内任意方向的应变引起圆螺旋线温敏金属条的电阻变化都将很小。
实施例4
本实施例基于实施例1-3，对柔性温度传感器的制备方法进行说明。
一种一体化结构的柔性温湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用多次流延的方式，在带凹槽的模具上制备双面带方形凸台的柔性衬底1，具体为，上表面具有凸台A201和凸台C203，下表面具有凸台B202和凸台D204，所述柔性衬底1采用的材料为聚酰亚胺，凸台为长方体，高度为30μm；
步骤2：采用常规成熟的磁控溅射或电子束蒸发工艺在凸台A201和凸台B202上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元301和温度补偿单元302；
步骤3：在凸台B202和凸台D204上采用热蒸发或磁控溅射方式制作下金属电极，将湿度敏感材料旋涂在带有下电极上，放在烤箱中烤干作为湿敏薄膜，在所述湿敏薄膜上采用热蒸发或磁控溅射的方式制备上金属电极，从而完成湿度敏感元件和湿度补偿单元304的制备；
步骤4：在所述温度敏感单元301的上表面、温度补偿单元302下表面、湿度敏感单元303的上表面和湿度补偿单元304的下表面采用旋涂工艺制备保护层4；
步骤5：柔性温度传感器专用集成电路(ASIC)的设计：设计ASIC芯片使其包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿、I2C接口和电源及偏置管理单元。为了减少功耗和面积，并提高工作频率，ASIC芯片采用0.5μm以下CMOS工艺，使用Cadence/Mentor工具设计模拟和混合信号部分，Synopsys/Cadence工具作为数字部分设计流程中的基本设计工具。
步骤5：将微型电路芯片5和供电单元6粘贴在所述柔性衬底1的非方形凸台区域，并通过柔性衬底1金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片5、供电单元6、温度敏感单元301、温度补偿单元302、湿度敏感单元303和湿度补偿单元304之间的电连接，布线方式与普通芯片的布线方式相同，仅布线的基底为柔性衬底1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种一体化结构的柔性温湿度传感器，包括柔性衬底(1)，所述柔性衬底(1)上设置有敏感单元，所述敏感单元包括温度敏感单元(301)和湿度敏感单元(303)，其特征在于：所述柔性衬底(1)上还设置有微型电路芯片(5)和供电单元(6)，所述微型电路芯片(5)用于处理来自敏感单元的信号，所述供电单元(6)用于对微型电路芯片(5)进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种一体化结构的柔性温湿度传感器，其特征在于：所述微型电路芯片(5)包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述ASIC芯片通过I2C接口方式与无线传输芯片电连接，所述ASIC芯片用于处理来自敏感单元的信号，所述无线传输芯片用于将ASIC芯片处理后的信号通过中继网关与远程控制中心进行交互。
3.根据权利要求2所述的一种一体化结构的柔性温湿度传感器，其特征在于：所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿电路、I2C接口和电源及偏置管理单元。
4.根据权利要求1所述的一种一体化结构的柔性温湿度传感器，其特征在于：所述柔性衬底(1)上表面设置有两个凸台，所述柔性衬底(1)的下表面设置有与上表面对称有凸台，所述凸台的高度为25-35μm，所述柔性衬底(1)上表面的两个凸台上分别设置有温度敏感单元(301)和湿度敏感单元(303)，所述柔性衬底(1)下表面与温度敏感单元(301)对称的一个凸台上设置温度补偿单元(302)，所述柔性衬底(1)下表面的另一个凸台上设置湿度补偿单元(304)，所述温度敏感单元(301)和温度补偿单元(302)串联后接入所述微型电路芯片(5)，所述湿度敏感单元(303)和湿度补偿单元(304)分别接入所述微型电路芯片(5)。
5.根据权利要求4所述的一种一体化结构的柔性温湿度传感器，其特征在于：所述凸台为方形。
6.根据权利要求4所述的一种一体化结构的柔性温湿度传感器，其特征在于：所述温度敏感单元(301)为双螺旋结构，所述温度补偿单元(302)与温度敏感单元(301)为相同的单元。
7.根据权利要求4所述的一种一体化结构的柔性温湿度传感器，其特征在于：所述温度敏感单元(301)、温度补偿单元(302)、湿度敏感单元(303)和湿度补偿单元(304)上均设置有保护层(4)。
8.一种一体化结构的柔性温湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用多次流延的方式，在带凹槽的模具上制备双面均带两个方形凸台的柔性衬底(1)；
步骤2：在所述柔性衬底(1)上下表面对称的两个凸台上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元(301)和温度补偿单元(302)；
步骤3：在所述柔性衬底(1)上下表面对称的另外两个凸台上制作下金属电极，将湿度敏感材料旋涂在带有下电极上，放在烤箱中烤干作为湿敏薄膜，在所述湿敏薄膜上制备上金属电极，完成湿度敏感元件和湿度补偿单元(304)的制备；
步骤4：在所述温度敏感单元(301)的上表面、温度补偿单元(302)下表面、湿度敏感单元(303)的上表面和湿度补偿单元(304)的下表面采用旋涂工艺制备保护层(4)；
步骤5：制作所述ASIC芯片，所述ASIC芯片包括温度信号读取电路、湿度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿、I2C接口和电源及偏置管理单元；
步骤6：将无线传输芯片与所述ASIC芯片电连接，形成微型电路芯片(5)，将所述微信电路芯片和供电单元(6)粘贴在所述柔性衬底(1)的非凸台区域，并通过柔性衬底(1)金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片(5)、供电单元(6)、温度敏感单元(301)、湿度敏感单元(303)、湿度补偿单元(304)和温度补偿单元(302)之间的电连接。
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