CN112683966A - 一种自校正mems电容式湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种自校正MEMS电容式湿度传感器及其制备方法，包括依次堆叠的帕尔贴制冷器及湿度敏感电容，将MEMS敏感电容与帕尔贴制冷器集成，从而通过帕尔贴制冷器控制敏感电容的温度，可以近似获得相对湿度为0和100%时的电容输出值。进而对湿度传感器的输出进行校正。整个校正过程简单，并且可以由外部电路控制自动完成，提高传感器的测量精度，降低校正成本。
Description
技术领域
本发明属于微机电传感器领域，具体涉及一种自校正MEMS电容式湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度传感器广泛应用于工业，农业，智能家居等众多领域。湿度传感器利用敏感介质吸湿后电学特性（电阻或电容等）改变进而表征湿度的变化。湿度传感器的性能主要由敏感介质决定，但是敏感介质的特性会随时间发生变化。
湿度传感器的长期稳定性以及校正问题一直是人们关注的焦点。1998年，Masanobu Matsuguch（人名）等人对基于聚酰亚胺的电容式湿度传感器长期稳定性问题进行了研究。2007年，T. Islam（人名）等人对多孔硅湿度传感器的长期稳定性问题进行研究，并且通过软件补偿的方法进行了校正。2015年，Vinod Kumar Khanna（人名）对Al2O3湿度敏感材料的长期稳定性进行了研究，同时建立了Al2O3材料的老化模型，为相关湿度传感器的校正提供了依据。
湿度传感器的老化漂移主要体现在零点漂移以及灵敏度漂移。现有的湿度传感器往往需要使用专业设备定期进行校正，通常，湿度传感器需要每半年校正一次。湿度传感器的校正工作专业性强，成本高，此外，如果校正不及时可能引起湿度传感器的误差增加、测量结果不准确等问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种自校正MEMS电容式湿度传感器，当湿度传感器的零点或者灵敏度发生漂移时，自动补偿漂移带来的测量误差，提高传感器的测试精度，降低校正成本。
为了实现上述的目的，本发明提出一种自校正MEMS电容式湿度传感器及其制备方法，具体方案如下：
一种自校正MEMS电容式湿度传感器，所述MEMS电容式湿度传感器包括依次堆叠的帕尔贴制冷器及湿度敏感电容，其中：
所述帕尔贴制冷器包括：
第一陶瓷基板；
第一电极阵列，所述第一电极阵列设置在所述第一陶瓷基板上；
热电偶阵列，所述热电偶阵列设置在所述第一电极阵列上；
第二电极阵列，所述第二电极阵列设置在所述热电偶阵列上；
第二陶瓷基板，所述第二陶瓷基板设置在所述第二电极阵列上；
所述湿度敏感电容包括：
第一湿度敏感电容电极，所述第一湿度敏感电容电极设置在所述第二陶瓷基板上；
湿度敏感材料层，所述湿度敏感材料层设置在所述第一湿度敏感电容电极上；
第二湿度敏感电容电极，所述第二湿度敏感电容电极设置在所述湿度敏感材料层上。
可选地，所述热电偶阵列由P型掺杂的碲化铋材料和N型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。
可选地，所述湿度敏感材料层和/或所述第二湿度敏感电容电极包括多孔金属材料。
可选地，所述多孔金属材料为氧化铝多孔薄膜或者金多孔薄膜。
可选地，所述第一电极阵列的左右两侧的电极为所述帕尔贴制冷器的输入端或者输出端。
本发明还提出一种根据所述自校正MEMS电容式湿度传感器的湿度检测校正方法，包括以下步骤：
检测常温下所述电容式湿度传感器的第一电容输出值C0；
加载控制电流使所述帕尔贴制冷器上方的湿度敏感电容降温，直至输出电容稳定，获得第二电容输出值C1；
加载与所述控制电流反向的电流使所述帕尔贴制冷器上方的湿度敏感电容升温，直至输出电容稳定，获得第三电容输出值C2；
根据C0、C1、C2获得相对湿度。
可选地，所述相对湿度根据
获得或者通过曲线拟合获得。
本发明提出一种自校正MEMS电容式湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
选择帕尔贴制冷器作为衬底；
在所述帕尔贴制冷器的上表面制备第一湿度敏感电容电极；
在所述第一湿度敏感电容电极上形成敏感材料层，所述敏感材料层为多孔金属；
在所述敏感材料层上沉积金属，制备形成第二湿度敏感电容电极。
可选地，所述沉积金属采用斜入射蒸发工艺。
可选地，所述第二湿度敏感电容电极为多孔金属电极。
本发明具有以下有益效果：
MEMS敏感电容与帕尔贴制冷器集成。通过帕尔贴制冷器控制敏感电容的温度，可以近似获得相对湿度为0和100%时的电容输出值。进而对湿度传感器的输出进行校正。整个校正过程简单，并且可以由外部电路控制自动完成，提高传感器的测量精度，降低校正成本。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明其中一实施例的湿度传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明其中一实施例的湿度传感器的自校正过程示意图；
图3为本发明其中一实施例的湿度传感器的制备工艺示意图。
图中：1、第一陶瓷基板，2、第一电极阵列，3、热电偶阵列，4、第二电极阵列，5、第二陶瓷基板，6、第一湿度敏感电容电极，7、敏感材料层，8、第二湿度敏感电容电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
实施例1
参见图1，本发明提出一种自校正MEMS电容式湿度传感器。
该MEMS电容式湿度传感器从下至上包括依次堆叠的帕尔贴制冷器及湿度敏感电容，其中：
所述帕尔贴制冷器包括：
第一陶瓷基板1；
第一电极阵列2，所述第一电极阵列设置在所述第一陶瓷基板1上；
热电偶阵列3，所述热电偶阵列3设置在所述第一电极阵列2上；
第二电极阵列4，所述第二电极阵列4设置在所述热电偶阵列3上；
第二陶瓷基板5，所述第二陶瓷基板5设置在所述第二电极阵列4上；
所述湿度敏感电容包括：
第一湿度敏感电容电极6，所述第一湿度敏感电容电极6设置在所述第二陶瓷基板5上；
湿度敏感材料层7，所述湿度敏感材料层7设置在所述第一湿度敏感电容电极6上；
第二湿度敏感电容电极8，所述第二湿度敏感电容电极8设置在所述湿度敏感材料层7上。
帕尔贴制冷器，也叫热电制冷器或者温差制冷器，利用了帕尔贴效应；本实施例中，帕尔贴制冷器的热电偶阵列3由P型掺杂的碲化铋材料和N型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。控制电流由第一电极阵列2的左右两端引入，当电流方向不同时，在热电偶结点将产生吸热和放热现象，及当第一陶瓷基板1的表面升温时，第二陶瓷基板5的表面就降温，改变电流方向，则吸热和放热行为相反。
对于湿度敏感电容而言，第一湿度敏感电容电极6、湿度敏感材料层7、第二湿度敏感电容电极8组成三明治结构的敏感电容。其中，敏感材料层7例如采用多孔氧化铝制成，其它材料，如PI，也适用。第二湿度敏感电容电极要与外界环境接触，本实施例中采用具有透气性的多孔金属材料制成，例如多孔金。
实施例2
本发明所提出的自校正MEMS电容式湿度传感器的工作原理如下：
根据相对湿度RH的定义：
RH =Pw/Pws ·100%
其中Pw为水的蒸气压，Pws为水的饱和蒸气压。
饱和蒸气压Pws受到温度T的影响：
其中A，m和Tn都为经验参数。由此可知，当外部湿度环境不变时，减小传感器温度，局部Pws减小，当局部Pws和外部Pw相等时，对应温度为露点Td，其计算公式为：
当敏感材料局部温度低于露点时，传感器的敏感材料层结露，电容输出与相对湿度100%时近似相等；反之，增加芯片温度，局部Pws增加，热量使得水气从敏感材料向外部排出。当温度足够高时，电容输出可以趋近相对湿度为0时的结果。
由此，参见图2，本发明提出的自校正MEMS电容式湿度传感器的自校正方法如下：
S1:检测常温下所述电容式湿度传感器的第一电容输出值C0；
S2:加载控制电流使所述帕尔贴制冷器上方的湿度敏感电容降温，直至输出电容稳定，获得第二电容输出值C1；
S3:加载与所述控制电流反向的电流使所述帕尔贴制冷器上方的湿度敏感电容升温，直至输出电容稳定，获得第三电容输出值C2；
S4:根据C0、C1、C2获得相对湿度。
具体地：湿度检测时，首先测量常温下的敏感电容输出值C0，C0为第一电容输出值，接着加载适当的控制电流使得帕尔贴制冷器上方的敏感电容降温，使得水气在敏感材料层中凝结，直至输出电容稳定，此时的输出电容C1近似为100%时的敏感电容输出值，C1为第二电容输出值；再次将控制电流反向，控制帕尔贴制冷器上方的敏感电容升温，迫使敏感材料层中的水气蒸发，直至输出电容稳定，此时的输出电容为第三电容输出值C2、近似为0%时的敏感电容输出值。
对于线性度较好的敏感电容，相对湿度由
给出。对于非线性特性的敏感电容也可以通过曲线拟合获得相对湿度值。
当传感器的零点发生漂移时，C2将同步变化，补偿零点漂移对湿度测量的影响，当湿度传感器的灵敏度发生漂移时，C1-C2将同步变化，补偿灵敏度漂移对湿度测量的影响。因此传感器具有自校正的功能。
实施例3
本发明还提出一种针对实施例1自校正MEMS电容式湿度传感器的制作方法：
如图3所示：包括如下步骤：
S1-1:选择帕尔贴制冷器作为衬底；
S1-2:在所述帕尔贴制冷器的上表面制备第一湿度敏感电容电极；
S1-3:在所述第一湿度敏感电容电极上形成敏感材料层，所述敏感材料层为多孔金属；
S1-4:在所述敏感材料层上沉积金属，制备形成第二湿度敏感电容电极。
具体地，首先选取由第一陶瓷基板1、第一电极阵列2、热电偶阵列3、第二电极阵列4、第二陶瓷基板5组成的商用帕尔贴制冷器作为衬底。接着，在第二陶瓷基板5的上表面溅射金属铝并光刻图形化、干法刻蚀形成敏感电容下电极、即第一敏感电容电极6。然后，通过转移工艺将例如Al2O3多孔薄膜覆盖在第一敏感电容电极6之上，并光刻图形化、干法刻蚀形成敏感材料层7。最后，通过例如斜入射蒸发工艺淀积金属金并光刻图形化、干法刻蚀形成敏感电容上电极，即第二敏感电容电极8。
在该步骤中采用斜入射蒸发工艺就保证形成的金属电极具有多孔形态，从而使得敏感电容的上电极具有吸附作用。
本发明将MEMS敏感电容与帕尔贴制冷器集成，从而通过帕尔贴制冷器控制敏感电容的温度，可以近似获得相对湿度为0和100%时的电容输出值。进而对湿度传感器的输出进行校正。整个校正过程简单，并且可以由外部电路控制自动完成，提高传感器的测量精度，降低校正成本。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种自校正MEMS电容式湿度传感器，其特征在于，所述MEMS电容式湿度传感器包括依次堆叠的帕尔贴制冷器及湿度敏感电容，其中：
所述帕尔贴制冷器包括：
第一陶瓷基板；
第一电极阵列，所述第一电极阵列设置在所述第一陶瓷基板上；
热电偶阵列，所述热电偶阵列设置在所述第一电极阵列上；
第二电极阵列，所述第二电极阵列设置在所述热电偶阵列上；
第二陶瓷基板，所述第二陶瓷基板设置在所述第二电极阵列上；
所述湿度敏感电容包括：
第一湿度敏感电容电极，所述第一湿度敏感电容电极设置在所述第二陶瓷基板上；
湿度敏感材料层，所述湿度敏感材料层设置在所述第一湿度敏感电容电极上；
第二湿度敏感电容电极，所述第二湿度敏感电容电极设置在所述湿度敏感材料层上。
2.根据权利要求1所述的一种自校正MEMS电容式湿度传感器，其特征在于，所述热电偶阵列由P型掺杂的碲化铋材料和N型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。
3.根据权利要求1或2所述的一种自校正MEMS电容式湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感材料层和/或所述第二湿度敏感电容电极包括多孔金属材料。
4.根据权利要求3所述的一种自校正MEMS电容式湿度传感器，其特征在于，所述多孔金属材料为氧化铝多孔薄膜或者金多孔薄膜。
5.根据权利要求1或2所述的一种自校正MEMS电容式湿度传感器，其特征在于，所述第一电极阵列的左右两侧的电极为所述帕尔贴制冷器的输入端或者输出端。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的自校正MEMS电容式湿度传感器的湿度检测校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测常温下所述电容式湿度传感器的第一电容输出值C0；
加载控制电流使所述帕尔贴制冷器上方的湿度敏感电容降温，直至输出电容稳定，获得第二电容输出值C1；
加载与所述控制电流反向的电流使所述帕尔贴制冷器上方的湿度敏感电容升温，直至输出电容稳定，获得第三电容输出值C2；
根据C0、C1、C2获得相对湿度。
7.根据权利要求6所述的自校正MEMS电容式湿度传感器的湿度检测校正方法，其特征在于，所述相对湿度根据
获得或者通过曲线拟合获得。
8.一种根据权利要求1-5任一项所述的自校正MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择帕尔贴制冷器作为衬底；
在所述帕尔贴制冷器的上表面制备第一湿度敏感电容电极；
在所述第一湿度敏感电容电极上形成敏感材料层，所述敏感材料层为多孔金属；
在所述敏感材料层上沉积金属，制备形成第二湿度敏感电容电极。
9.根据权利要求8所述的自校正MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述沉积金属采用斜入射蒸发工艺。
10.根据权利要求9所述的自校正MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述第二湿度敏感电容电极为多孔金属电极。
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