CN111044583A - 湿度传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种湿度传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感材料存在两种不同的物理性质随湿度敏感材料含水率变化而变化。测量电路模块同时测量湿度敏感材料的两种不同的物理性质，测量电路模块将测量结果传输至微处理单元MCU；存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；微处理单元MCU根据上述测量得到的结果，对标准参数库中记录的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；a和b的均方根值或平均值作为结果输出。

Description

湿度传感器芯片
技术领域
本发明涉及一种湿度传感器芯片。
背景技术
由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同.其性能和技术指标(像精度方面)有很大差异，因而价格也相差甚远。在检测环境湿度时，湿敏材料要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1％RH水平的产品很少，一般都在±2％左右，甚至更高。
发明内容
本发明提供一种湿度传感器芯片，其目的在于无需凭借湿度传感器芯片自身以外的任何外在的参照标准，仅仅利用自身特性而实现比常规湿度传感器更准确的测量结果。
出于简明、清晰的撰写需求，以及合理保护发明人的发明创造，在本发明专利申请中，发明人作出特别约定：在说明书中所记载的各个实施方式中，所采取的技术手段是互不冲突的，即可以自由组合，构建成不同的技术方案。这些可能的排列组合出的技术方案，均视为已经记载在本申请的原始申请文件中。除非作出了特别声明，某些技术手段在技术上是矛盾的，不能在同一个技术方案中并存。
在本发明中，用于测量湿度的传感器芯片，其特征在于：传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块集成得到用于测量湿度的传感器芯片；为了测量环境湿度，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料。
在本发明的各种实施方式中，均可以采取集成化的技术手段：湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片。这种集成化的湿度传感器芯片，使得传感器芯片在使用时更加方便，无需再另外构建测量电路和信号处理电路，在使用时，系统的体积更为小巧。
在本发明中，对于真正其敏感作用的湿度敏感模块，其包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，上电极位于衬底材料的正面；上电极和下电极构成叉指电极；湿度敏感材料制备在衬底的正面上。
上电极为部分覆盖湿度敏感材料表面使得湿度敏感材料具有漏出部分的电极，例如叉指电极，例如回形电极，例如梳装电极；上电极表面积为湿度敏感材料表面积的1/3～2/3。在湿度敏感模块中，上电极和下电极的设置，是为了利用测量电路模块对湿度敏感材料施加测量电信号，得到湿度敏感材料与环境湿度有关的物理性质。
在这里，上电极和下电极也可以为互相交错而不接触的蛇形电极、回形电极等，或者上电极为蛇形电极或回形电极，下电极为完全覆盖衬底背面的平面形电极。
可选地，在制作湿度敏感模块时，可以在完成上电极的沉积之后再在其上制备湿度敏感材料；也可以在完成湿度敏感材料的制备后再在其上制备上电极。
湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极构成电容器结构。
可选地，在本发明的所有各种实施方式中，所述湿度敏感材料为有机聚合物材料，所述有机聚合物湿度敏感材料特征在于：具有良好的吸水特性，吸收环境空气中的水分导致有机聚合物的介电常数随着含水率而变化。在达到稳定状态后，湿度敏感材料中的水分与环境空气构成一种动态平衡，即湿度敏感材料中的水分子的吸附与解吸附构成动态平衡。
在本发明的各种实施方式中，普遍地，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底。
作为本发明的核心构思的一部分，所述湿度传感器芯片具备如下特点：
测量电路模块同时测量湿度敏感材料的两种不同的物理性质，所述两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化。
在本发明的研究过程中，发明人发现，有些湿度传感器，在吸收环境空气中的水分后，除了一些众所周知的、被本领域技术人员广为利用的随着含水率变化而变化的物理性质，还会伴随着其他一些物理性质的变化。即，湿度敏感材料存在两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化，这两种物理性质均与湿度敏感材料的含水率密切相关，均可以用于检测环境空气中的湿度。
值得特别指出的是，作为本发明的一个突出贡献，还在于：在现有的各类湿度传感器中，尚未见过同时利用两种及以上的不同的湿度敏感曲线来进行湿度测量的。现有技术中，要么利用的是湿度敏感材料的电阻率与含水率之间的变化规律来测量湿度，要么是利用湿度敏感材料的介电常数与含水率之间的变化规律来测量湿度，抑或是利用湿度敏感材料的湿致变色与含水率之间的变化规律来测量湿度，即，现有技术中，对特定的传感器，测量湿度所利用的物理规律是单一的。而在本发明中，发明人则利用上述发现，测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU，依据不同的物理性质来得到环境湿度。并且，两者所得到的结果还可减小测量误差。
还需要指出的是，对于特定的湿度传感器，仅仅根据物理性质A测量得到的结果，或者根据物理性质B测量得到的结果，是无法判断出湿度传感器的性能劣化程度的，即，在无外在参照标准的情况下，仅仅凭借一种物理性质而测量得到的湿度结果，是根本不可能得知其测量误差情况的。
由上述分析可知，本发明的湿度传感器芯片，无需凭借湿度传感器芯片自身以外的任何外在的参照标准，仅仅利用自身特性而实现自我校正。
在各个具体实施方式中，测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU。
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线。
所述两种不同的物理性质分别以A、B来表示，即标准参数库中同时记录有所述湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准曲线、所述湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准曲线。
所述标准曲线被用来测量环境空气湿度，在具体运用中，实现方式如下描述：
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B的测量结果，对标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；
环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出。
可选地，所述衬底材料为石英薄片。
上电极、下电极、湿度敏感材料附着在石英薄片上。
上电极、湿度敏感材料、石英薄片和下电极构成电容器结构。该电容器具备如下特性：
(1)其电容值敏感依赖于环境空气的湿度。这是由于水分子被湿度敏感材料吸附后，改变了其介电常数。
(2)在该电容器被施加一定频率的交流电激励信号时，会发生机械振荡，且机械振荡的谐振频率敏感依赖于环境空气的湿度。这是由于石英薄片具备压电特性，被施加一定频率的交流电激励信号时，会发生机械振荡，且机械振荡的谐振频率敏感依赖于石英薄片的切割方向、尺寸、质量，而水分子被湿度敏感材料吸附后，改变了附着于石英薄片的湿度敏感材料的质量，进而使得在该电容器被施加一定频率的交流电激励信号时，谐振频率敏感依赖于环境空气的湿度。
作为一种实施方式，在在制作湿度敏感模块即上述电容器结构时，首先采用磁控溅射技术或热蒸发技术或脉冲激光沉积技术，在石英薄片的背面均匀镀上一层电极材料作为下电极，电极材料可以是金，银，铜等；
然后，采用旋涂烘干技术、磁控溅射技术、化学溶液法、丝网印刷技术或其他技术，在石英薄片的正面制作湿度敏感材料的薄膜层。
最后，在湿度敏感材料的薄膜层上方，再镀上一层电极材料作为上电极，采用的技术可以与前述下电极的制备技术相同或不同。
上电极可以是叉指电极，也可以是回形电极，也可以是梳状电极，等等。上电极的这种结构，使得上电极不完全覆盖湿度敏感材料的薄膜层，环境空气中的水分子能够被吸附进湿度敏感材料中。
由此，就形成了所述的电容器结构。
在测量时，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加交流电激励信号，同时测量所述湿度敏感材料的两种不同的物理性质，即物理性质A和物理性质B，由物理性质A和物理性质B分别得到两个测量结果，即环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；所述两种不同的物理性质A和B随着湿度敏感材料含水率变化而变化。
作为一种举例，包括但不限于如下情形：
在发明人的研究过程中，发现，某些湿度敏感材料，其介电常数会随着含水率的变化而变化，若将其制作成电容器的介电材料，即在该种湿度敏感材料的两侧制作出一对电极，形成电容器，可以通过测量其电容来推算得到环境空气的湿度。并且，发明人还创造性地提出，作为更进一步的改进，将这种湿度敏感的电容器的一对电极中间，另外插入薄片型压电材料，在电容器的两电极之间施加交流电激励信号，则该电容器的交流频率响应曲线也明显地呈现出湿度相关性，突出地表现在，薄片压电材料与湿度敏感材料共同作为电容器的电介质层时，在交流电激励信号作用下，还会发生机械振动，其共振频率会敏感依赖于湿度敏感材料的含水率，由此还可以根据共振频率的变化推算出环境空气的湿度。这其中的物理机制，可解释为：湿度敏感材料吸附空气中的水分后，其质量将会发生变化，由此，会改变上述共振频率。
在上述发明人提出的这种类型的湿度传感器中，既可以利用湿度敏感材料的介电常数随着含水率变化而变化的物理规律进行湿度测量，也可以利用该压电电容器的共振频率随着含水率变化而变化的物理规律进行湿度测量。这两者中，既可以单独采用其中任意一种物理机制进行湿度测量，也可以同时采用这两种物理机制进行湿度测量，由此，这将会得出两个测量结果，在正常情况下，这两个测量结果应当是一致的，或者说相差应该是很小的。
在一些实施方式中，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加一个预设的固定频率的交流激励信号；
在一些实施方式中，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加一个施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号；
在一些实施方式中，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加一个预设的固定频率的交流激励信号；在此后，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极再施加一个施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号。
可选地，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加一个施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号，在此后，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极再施加一个预设的固定频率的交流激励信号。
施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号，是为了使得测量电路模块能够测量得到湿度传感器的共振频率。
在本发明的各个实施方式中，优选地，存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；
所述两种不同的物理性质分别以A、B来表示，即存储模块中存储的标准参数库中同时记录有所述湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准函数曲线fA(m)、所述湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准函数曲线gB(m)；其中，m表示湿度敏感材料含水率；
举例而言，在某个湿度传感器芯片中，物理性质A是湿度敏感材料随着含水率的变化规律，物理性质B是湿度传感器共振频率随着含水率的变化规律。
当然，也可以是其他情形。
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B的测量结果，对标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的物理g性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；
环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出。
采用本发明的这种方法，湿度传感器的测量误差将根据自身的两种不同物理性质测量得到的两种湿度值来进行校正，互相弥补测量误差，较常规的湿度传感器的测量准确度更高，性能更可靠。
得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b，优选地，技术手段如下：
标准参数库中，所述标准函数曲线fA(m)中包含有1个数据，分别为fA(m1)、fA(m2)、fA(m3)、......fA(mi)......、fA(mI-2)、fA(mI-1)、fA(mI)，i表示标准函数曲线fA(m)中第i个数据；
所述标准函数曲线gB(m)中包含有J个数据，分别为gB(m1)、gB(m2)、gB(m3)、......gB(mj)、......gB(mJ-2)、gB(mJ-1)、gB(mJ)，j表示标准函数曲线gB(m)中第j个数据；
I等于J，或I不等于J；
微处理单元MCU根据测量得到的结果分别得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的具体方法为：
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A的测量值，在标准函数曲线fA(m)中索引、比较，得到标准函数曲线fA(m)中与物理性质A的测量值最邻近的值fA(mi)以及次最邻近的fA(mi-1)或fA(mi+1)；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质B的测量值，在标准函数曲线gB(m)中索引、比较，得到标准函数曲线gB(m)中与物理性质B的测量值最邻近的值gB(mj)以及次最邻近的gB(mj-1)或gB(mj+1)；
微处理单元MCU根据上述索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值a：a＝(mi+1-mi)[A-f(mi)]/[fA(mi+1)-fA(mi)]+mi，当fA(mi)为最邻近值、fA(mi+1)为次最邻近值时；或，a＝(mi-mi-1)[A-f(mi-1)]/[fA(mi)-fA(mi-1)]+mi-1，当fA(mi)为最邻近值、fA(mi-1)为次最邻近值时；
微处理单元MCU根据上述索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值b：b＝(mj+1-mj)[B-g(mj)]/[gB(mj+1)-gB(mj)]+mj，当gB(mj)为最邻近值、gB(mj+1)为次最邻近值时；
或，b＝(mj-mj-1)[B-g(mj-1)]/[gB(mj)-gB(mj-1)]+mj-1，当gB(mj)为最邻近值、gB(mj-1)为次最邻近值时；
其中，非下标的A即表示物理性质A的测量值，非下标的B即表示物理性质B的测量值；下标的A即表示物理性质A，下标的B即表示物理性质B。
在本发明的各种实施方式中：
测量电路模块在测量时，向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设频率的交流激励信号，测量所述湿度敏感模块的湿度敏感材料的电容值。
在本发明的各种实施方式中：
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有所述传感器芯片的湿度敏感材料的电容值随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线。
在本发明的各种实施方式中：
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有所述传感器芯片的湿度敏感材料的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化的标准曲线；标准参数库中还记录有所述传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化的标准曲线。
在本发明的一些实施方式中：
测量电路模块在测量时，包括如下两个测量步骤：
(1)向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设固定频率的交流激励信号，测量所述湿度敏感模块的湿度敏感材料的电容值；
(2)向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号，测量所述传感器芯片的谐振频率。
至此，发明人已经详细阐述了本发明的工作原理及技术方案、技术效果。
附图说明
图1：示例性地展示了一种湿度传感器芯片的湿度敏感模块的电容器结构。图中，1为上电极，2为湿度敏感材料，3为石英薄片，4为下电极。
图2：一种湿度传感器芯片的湿度敏感模块的电容器结构图。图中，左引线连接到上电极，右引线通过过孔连接到衬底背面的下电极。
具体实施方式
下面结合实例具体介绍本发明的技术方案。
具体实施方式1：
一种用于测量湿度的传感器芯片，其特征在于：
传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块集成得到用于测量湿度的传感器芯片；
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料。
具体实施方式2：
该具体实施方式中还包括特征：
湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片。
其余与具体实施方式1相同。
具体实施方式3：
湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，上电极位于衬底材料的正面；上电极和下电极构成叉指电极；湿度敏感材料制备在衬底的正面上；湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极构成电容器结构。
其余与具体实施方式1相同。
具体实施方式4：
一种用于测量湿度的传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片；
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，上电极位于衬底材料的正面；上电极和下电极构成叉指电极；湿度敏感材料制备在衬底的正面上；
所述湿度敏感材料为有机聚合物材料，所述有机聚合物湿度敏感材料特征在于：具有良好的吸水特性，吸收环境空气中的水分导致有机聚合物的介电常数随着含水率而变化。
具体实施方式5：
在该实施方式中，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片；
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底。
测量电路模块同时测量湿度敏感材料的两种不同的物理性质，所述两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化；
测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU；
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；
所述两种不同的物理性质分别以A、B来表示，即标准参数库中同时记录有所述湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准曲线、所述湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准曲线；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B的测量结果，对标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；
环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出。
举例而言，若依据湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准曲线而计算得到的环境空气湿度为23.27％RH，依据湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准曲线而计算得到的环境空气湿度为24.11％RH，则，取23.27％RH和24.11％RH的均方根值作为最终结果输出：Sqrt[(23.272+24.112)/2]％RH＝23.69％RH；
或，取23.27％RH和24.11％RH的平均值作为最终结果输出：(23.27+24.11)/2％RH＝23.69％RH；
再一举例，若依据湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准曲线而计算得到的环境空气湿度为33.51％RH，依据湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准曲线而计算得到的环境空气湿度为34.63％RH，则，取33.51％RH和34.63％RH的均方根值作为最终结果输出：34.07％RH；
或，取33.57％RH和34.63％RH的平均值作为最终结果输出：34.10％RH；
再一举例，若依据湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准曲线而计算得到的环境空气湿度为42.69％RH，依据湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准曲线而计算得到的环境空气湿度为44.57％RH，则，取42.69％RH和44.57％RH的均方根值作为最终结果输出：43.64％RH；
或，取42.69％RH和44.57％RH的平均值作为最终结果输出：43.63％RH；
在本发明的表达中，根据本领域的公知定义，RH就是相对湿度(RelativeHumidity)。
从上述两个示例可以看出，在大多数情况下，环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值与它们的平均值是非常接近的。因此，在实际应用中，本领域技术人员可根据需要任意选择均方根值和平均值其中一个作为最终输出结果。
具体实施方式6：
与具体实施方式3相同，不同之处在于，所述衬底材料为石英薄片。
石英材料，是一种压电材料。当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。
在本发明中，发明人创造性地将石英薄片与湿度敏感材料结合在一起，共同作为电容器结构的介电层，在这种情况下，这里的湿度敏感模块就同时具备了如下两个特性：
(1)其电容值敏感依赖于环境空气的湿度。这是由于水分子被湿度敏感材料吸附后，改变了其介电常数。
(2)在该电容器被施加一定频率的交流电激励信号时，会发生机械振荡，且机械振荡的谐振频率敏感依赖于环境空气的湿度。
具体实施方式7：
在该实施方式中，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片；
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底。
在测量时，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加交流激励信号，同时测量所述湿度敏感材料的两种不同的物理性质，即物理性质A和物理性质B，由物理性质A和物理性质B分别得到两个测量结果，即环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；所述两种不同的物理性质A和B随着湿度敏感材料含水率变化而变化。
进一步地，所述物理性质A为：湿度敏感模块中的电容值c，所述物理性质B为传感器芯片的谐振频率f；这里，湿度敏感模块中的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化，传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化。
具体实施方式8：
测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU。
其余与具体实施方式7相同。
具体实施方式9：
一种用于测量湿度的传感器芯片，传感器芯片集成有湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；其特征在于：
上电极位于衬底材料的正面；上电极和下电极构成叉指电极；湿度敏感材料制备在衬底的正面上；所述衬底材料为石英薄片；所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，
在测量时，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加交流激励信号，同时测量湿度敏感材料的两种不同的物理性质，得到两组不同物理性质的测量结果；所述两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化；
测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU；
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；
微处理单元MCU将上述测量得到的所述湿度敏感材料的两种不同的物理性质的测量结果，与标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线进行索引、比较，得到所要测量的环境空气湿度。
进一步地，所述物理性质A为：湿度敏感模块中的电容值c，所述物理性质B为传感器芯片的谐振频率f；这里，湿度敏感模块中的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化，传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化。
具体实施方式10：
一种用于测量湿度的传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片；
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，上电极位于衬底材料的正面；上电极和下电极构成叉指电极；湿度敏感材料制备在衬底的正面上；所述衬底材料为石英薄片；
在测量时，测量电路模块用于向湿度敏感模块的上电极和下电极施加交流激励信号，同时测量湿度敏感材料的两种不同的物理性质，得到两组不同物理性质的测量结果；所述两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化；
测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU；
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；
所述两种不同的物理性质分别以A、B来表示，即存储模块中存储的标准参数库中同时记录有所述湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准函数曲线fA(m)、所述湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准函数曲线gB(m)；其中，m表示湿度敏感材料含水率；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B的测量结果，对标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的物理g性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；
环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出。
所述标准函数曲线fA(m)中包含有I个数据，分别为fA(m1)、fA(m2)、fA(m3)、......fA(mi)......、fA(mI-2)、fA(mI-1)、fA(mI)，i表示标准函数曲线fA(m)中第i个数据；
所述标准函数曲线gB(m)中包含有J个数据，分别为gB(m1)、gB(m2)、gB(m3)、......gB(mj)、......gB(mJ-2)、gB(mJ-1)、gB(mJ)，j表示标准函数曲线gB(m)中第j个数据；
I等于J，或I不等于J；
进一步地，所述物理性质A为：湿度敏感模块中的电容值c，所述物理性质B为传感器芯片的谐振频率f；这里，湿度敏感模块中的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化，传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化。
作为一个示例，某湿度传感器芯片的标准函数曲线fA(m)如下表：
Figure BDA0002291036930000151
作为一个示例，某湿度传感器芯片的标准函数曲线gB(m)如下表：
序数 1 2 3 …… 43 44
谐振频率(KHz) 1755.219 1780.737 1806.259 …… 2827.116 2852.630
湿度(％RH) 10 11 12 …… 52 53
序数 …… 55 56 …… 79 80
谐振频率(KHz) …… 3133.363 3158.891 …… 3745.877 3771.401
湿度(％RH) …… 64 65 …… 88 89
微处理单元MCU根据测量得到的结果分别得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的具体方法为：
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A的测量值，在标准函数曲线fA(m)中索引、比较，得到标准函数曲线fA(m)中与物理性质A的测量值最邻近的值fA(mi)以及次最邻近的fA(mi-1)或fA(mi+1)；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质B的测量值，在标准函数曲线gB(m)中索引、比较，得到标准函数曲线gB(m)中与物理性质B的测量值最邻近的值gB(mj)以及次最邻近的gB(mj-1)或gB(mj+1)；
微处理单元MCU根据上述索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值a：a＝(mi+1-mj)[A-f(mi)]/[fA(mi+1)-fA(mi)]+mi，当fA(mi)为最邻近值、fA(mi+1)为次最邻近值时；或，a＝(mi-mi-1)[A-f(mi-1)]/[fA(mi)-fA(mi-1)]+mi-1，当fA(mi)为最邻近值、fA(mi-1)为次最邻近值时；
微处理单元MCU根据上述索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值b：b＝(mj+1-mj)[B-g(mj)]/[gB(mj+1)-gB(mj)]+mj，当gB(mj)为最邻近值、gB(mj+1)为次最邻近值时；
或，b＝(mj-mj-1)[B-g(mj-1)]/[gB(mj)-gB(mj-1)]+mj-1，当gB(mj)为最邻近值、gB(mj-1)为次最邻近值时；
其中，非下标的A即表示物理性质A的测量值，非下标的B即表示物理性质B的测量值；下标的A即表示物理性质A，下标的B即表示物理性质B。
作为一个示例，某湿度传感器芯片中的标准数据库中记录有如下标准函数曲线fA(m)：
Figure BDA0002291036930000171
Figure BDA0002291036930000181
在某次测量中，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加频率为3333.363KHz的交流电激励信号，同时测量得到一个电容值c为69.879pF，则，微处理单元MCU根据上述电容值，在该标准曲线中索引，得到其最邻近值为70.236，对应的湿度值为37％RH，次最邻近值为68.936，对应的湿度值为36％RH，采用公式a＝(mi-mi-1)[A-f(mi-1)]/[fA(mi)-fA(mi-1)]+mi-1进行计算，得到湿度值36.73％RH。
对于根据标准函数曲线gB(m)计算b值，方法同上，不再赘述。
具体实施方式14：
一种用于测量湿度的传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；上电极位于衬底材料的正面；下电极位于衬底材料的背面；湿度敏感材料制备在衬底的正面上，上电极制备在湿度敏感材料之上，所述衬底材料为石英薄片；
上电极、湿度敏感材料、石英薄片和下电极构成电容器结构。
图1：示例性地展示了一种湿度传感器芯片的湿度敏感模块的电容器结构。图中，1为上电极，2为湿度敏感材料，3为石英薄片，4为下电极。
图1所示的湿度敏感模块，可适用于前面所有的具体实施例中。
图2展示了另一个湿度传感器芯片的湿度敏感模块的电容器结构实物图。图中，左引线连接到上电极，右引线通过过孔连接到衬底背面的下电极。
具体实施方式15：
作为一种实施方式，在制作湿度敏感模块即前述电容器结构时，首先采用磁控溅射技术在石英薄片的背面均匀镀上一层电极材料作为下电极，电极材料为金；
然后，采用丝网印刷技术在石英薄片的正面制作湿度敏感材料的薄膜层，湿度敏感材料为双亲性聚合物材料。
最后，在湿度敏感材料的薄膜层上方，采用磁控溅射技术再镀上一层金电极材料作为上电极。
上电极为梳状电极。上电极的这种结构，使得上电极不完全覆盖湿度敏感材料的薄膜层，环境空气中的水分子能够被吸附进湿度敏感材料中。
由此，就形成了所述的电容器结构。
具体实施方式16：
在具体实施方式15中，湿度敏感材料采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、磺基水杨酸(SSA)掺入PVP为敏感材料。其余与具体实施方式15相同。
具体实施方式17：
在具体实施方式15中，在聚四氟乙烯树脂上面薄薄地沉积上一层磺酸和羧酸的混合物成为一薄膜，构成湿度敏感材料薄膜层。其余与具体实施方式15相同。
具体实施方式18：
在前述各个具体实施方式中，采用LCR测试仪，对制备好的湿度传感器芯片进行测量和标定，将在各个湿度条件下测量得到的电容c参数写入每个湿度传感器芯片的存储模块中的标准数据库中。
然后，再利用湿度传感器自身的测量电路模块，将在各个湿度条件下测量得到的谐振频率写入每个湿度传感器芯片的存储模块中的标准数据库中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.湿度传感器芯片，其特征在于：
传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块；湿度敏感模块、测量电路模块集成得到用于测量湿度的传感器芯片；所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料；
所述湿度敏感材料特征在于：具有良好的吸水特性，吸收环境空气中的水分导致湿度敏感材料介电常数随着含水率而变化。
2.如权利要求1所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
湿度敏感模块、测量电路模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片。
3.如权利要求1所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，上电极位于衬底材料的正面；上电极和下电极构成叉指电极；湿度敏感材料制备在衬底的正面上；湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极构成电容器结构。
4.一种湿度传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到用于测量湿度的传感器芯片；
其特征在于：
测量电路模块同时测量湿度敏感材料的两种不同的物理性质，所述两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化；
测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感材料的上述两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU；
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；
所述两种不同的物理性质分别以A、B来表示，即标准参数库中同时记录有所述湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准曲线、所述湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准曲线；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B的测量结果，对标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；
环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出。
5.如权利要求4所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，上电极位于衬底材料的正面；上电极为部分覆盖湿度敏感材料表面使得湿度敏感材料具有漏出部分的电极，例如叉指电极，例如回形电极，例如梳装电极；上电极表面积为湿度敏感材料表面积的1/3～2/3；湿度敏感材料制备在衬底的正面上；
所述湿度敏感材料特征在于：具有良好的吸水特性，吸收环境空气中的水分导致湿度敏感材料介电常数随着含水率而变化；
所述衬底材料为石英薄片；
上电极、湿度敏感材料、石英薄片和下电极构成电容器结构，该电容器具备如下两种不同的物理性质A和B，分别为：湿度敏感模块中的电容值c，传感器芯片的谐振频率f；湿度敏感模块中的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化，传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化。
物理性质A：其电容值敏感依赖于环境空气的湿度；
物理性质B：在该电容器被施加一定频率的交流电激励信号时，发生机械振荡，且机械振荡的谐振频率敏感依赖于环境空气的湿度；
测量时，测量电路模块向湿度敏感模块的上电极和下电极施加交流激励信号，同时测量所述湿度敏感材料的两种不同的物理性质，即物理性质A和物理性质B，由物理性质A和物理性质B分别得到两个测量结果，即环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；所述两种不同的物理性质A和B均随着湿度敏感材料含水率变化而变化；
测量电路模块在测量时，包括如下两个测量步骤：
(1)向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设固定频率的交流激励信号，测量所述湿度敏感模块的湿度敏感材料的电容值。
(2)向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号，测量所述传感器芯片的谐振频率。
6.如权利要求5或4所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有湿度敏感材料的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线；
所述两种不同的物理性质分别以A、B来表示，即存储模块中存储的标准参数库中同时记录有所述湿度敏感材料的物理性质A随着含水率变化而变化的标准函数曲线fA(m)、所述湿度敏感材料的物理性质B随着含水率变化而变化的标准函数曲线gB(m)；其中，m表示湿度敏感材料含水率；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B的测量结果，对标准参数库中记录的所述湿度敏感材料的物理性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线分别进行索引，比较、运算，分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b；
环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出。
7.如权利要求6所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
所述标准函数曲线fA(m)中包含有I个数据，分别为fA(m1)、fA(m2)、fA(m3)、......fA(mi)......、fA(m1-2)、fA(mI-1)、fA(mI)，i表示标准函数曲线fA(m)中第i个数据；
所述标准函数曲线gB(m)中包含有J个数据，分别为gB(m1)、gB(m2)、gB(m3)、......gB(mj)、......gB(mJ-2)、gB(mJ-1)、gB(mJ)，j表示标准函数曲线gB(m)中第j个数据；
I等于J，或I不等于J；
微处理单元MCU根据测量得到的结果分别得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的具体方法为：
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质A的测量值，在标准函数曲线fA(m)中索引、比较，得到标准函数曲线fA(m)中与物理性质A的测量值最邻近的值fA(mi)以及次最邻近的fA(mi-1)或fA(mi+1)；
微处理单元MCU根据上述测量得到的所述湿度敏感材料的物理性质B的测量值，在标准函数曲线gB(m)中索引、比较，得到标准函数曲线gB(m)中与物理性质B的测量值最邻近的值gB(mj)以及次最邻近的gB(mj-1)或gB(mj+1)；
微处理单元MCU根据上述索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值a：
a＝(mi+1-mi)[A-f(mi)]/[fA(mi+1)-fA(mi)]+mi，当fA(mi)为最邻近值、fA(mi+1)为次最邻近值时；或，a＝(mi-mi-1)[A-f(mi-1)]/[fA(mi)-fA(mi-1)]+mi-1，当fA(mi)为最邻近值、fA(mi-1)为次最邻近值时；
微处理单元MCU根据上述索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值b：
b＝(mj+1-mj)[B-g(mj)]/[gB(mj+1)-gB(mj)]+mj，当gB(mj)为最邻近值、gB(mj+1)为次最邻近值时；
或，b＝(mj-mj-1)[B-g(mj-1)]/[gB(mj)-gB(mj-1)]+mj-1，当gB(mj)为最邻近值、gB(mj-1)为次最邻近值时；
其中，非下标的A即表示物理性质A的测量值，非下标的B即表示物理性质B的测量值；下标的A即表示物理性质A，下标的B即表示物理性质B。
8.如权利要求5-7任一项所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
测量电路模块在测量时，向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设频率的交流激励信号，测量所述湿度敏感模块的湿度敏感材料的电容值。
9.如权利要求5-8任一项所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
存储模块中存储有标准参数库，所述标准参数库中记录有所述传感器芯片的湿度敏感材料的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化的标准曲线；
标准参数库中还记录有所述传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化的标准曲线。
10.如权利要求5-9任一项所述的湿度传感器芯片，其特征在于：
湿度传感器芯片制作完成后，
采用LCR测试仪，对制备好的湿度传感器芯片进行测量和标定，将在各个湿度条件下测量得到的电容c参数写入每个湿度传感器芯片的存储模块中的标准数据库中；
然后，再利用湿度传感器自身的测量电路模块，将在各个湿度条件下测量得到的谐振频率写入每个湿度传感器芯片的存储模块中的标准数据库中。
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