CN114813846A - 湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种湿度传感器，包括：基板；共面波导信号线，悬设在基板上，共面波导信号线的长度大于其投影长度；第一共面波导地线和第二共面波导地线，分别设置在共面波导信号线两侧；第一匹配电阻和第二匹配电阻，分别将共面波导信号线与对应的共面波导地线连接；热电堆，与共面波导信号线相对间隔设置；至少一个湿度敏感元件，湿度敏感元件设置在共面波导信号线上。本发明的湿度传感器，通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，实现传感器的微型化；响应速度快，灵敏度高，结构新颖；测量方式简单，极大拓展了湿度传感器的实际适用性。

Description

湿度传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种湿度传感器。

背景技术

湿度是用来表征空气中含水量的一个物理量。随着社会的进步，湿度的检测和控制愈来愈重要。湿度传感器是将水蒸气的量转换成可以测量的量的器件，它已被广泛地应用在药物储存、动物养殖、温室大棚、工业生产、农业生产、气象检测、环境保护、军事国防、医疗救护、工业自控等领域。湿敏材料作为湿度传感器的基础和核心，主要是利用吸附效果直接或间接地通过吸附被检测环境中的水分子，使材料的化学或者物理特性产生改变，最终达到对湿度检测的目的。现有的微型湿度传感原理主要包括电容式和电阻式两大类，两种类型的湿度传感器在灵敏度、测量范围、响应速度、线性度、体积、稳定性、产品互换性等方面各有优劣，适用于不同的场合。水凝胶或聚酰亚胺等与CMOS工艺兼容且具有良好的感湿特性和生物相容性，因此常被用做湿度传感器的湿度敏感材料。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步，高性能的湿度传感器具有良好的应用价值和广阔的市场潜力。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种湿度传感器。

本发明提供一种湿度传感器，所述湿度传感器包括：

基板；

共面波导信号线，悬设在所述基板上，所述共面波导信号线的长度大于其投影长度；

第一共面波导地线和第二共面波导地线，分别设置在所述共面波导信号线两侧；

第一匹配电阻和第二匹配电阻，分别将所述共面波导信号线与对应的共面波导地线连接；

热电堆，与所述共面波导信号线相对间隔设置；

至少一个湿度敏感元件，所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线上。

可选的，所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第一共面波导地线的一侧；或，

所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第二共面波导地线的一侧。

可选的，所述湿度传感器包括多个湿度敏感元件，其中，至少一个所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第一共面波导地线的一侧，其余所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第二共面波导地线的一侧。

可选的，所述多个湿度敏感元件交错对称分布于所述共面波导信号线的两侧。

可选的，所述共面波导信号线的横截面呈S形。

可选的，所述湿度敏感元件设置在S形共面波导信号线的最顶端或最底端。

可选的，所述湿度敏感元件采用水凝胶或者聚酰亚胺材料制作形成。

可选的，所述湿度敏感元件的尺寸相同。

可选的，所述湿度传感器还包括第一锚区和第二锚区，所述第一锚区靠近所述热电堆设置；

所述共面波导信号线的第一端通过所述第一锚区与所述基板连接，所述共面波导信号线的第二端通过所述第二锚区与所述基板连接。

可选的，所述第一匹配电阻的第一端与所述第一共面波导地线连接，所述第一匹配电阻的第二端与所述第一锚区的第一端连接；

所述第二匹配电阻的第一端与所述第二共面波导地线连接，所述第二匹配电阻的第二端与所述第一锚区的第二端连接。

本发明的湿度传感器不同于传统的湿度传感器，本发明的传感器将共面波导信号线的长度设计成大于其投影长度，至少一个湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线上。当湿度敏感元件吸收水分子时，共面波导信号线与湿度敏感元件作为整体产生较大形变，响应速度快、灵敏度高；该湿度传感器突破了传统检测结构的思维模式，有效地将湿度敏感元件的膨胀形变转换为共面波导信号线的弯曲形变，传感器体积小、结构新颖、测量方式简单；将湿度的变化转换为共面波导与匹配电阻间的失配，灵敏度高；通过热电堆输出热电势，测量方式简单，极大拓展了湿度传感器的实际适用性；该湿度传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的微型化。

附图说明

图1为本发明一实施例的湿度传感器的俯视图；

图2为本发明另一实施例的湿度传感器A-A'的剖面图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的提供一种湿度传感器100，所述湿度传感器100包括基板110、共面波导信号线120、第一共面波导地线131、第二共面波导地线132、第一匹配电阻141、第二匹配电阻142、热电堆150和至少一个湿度敏感元件160。

共面波导信号线120悬设在基板110上，共面波导信号线120的长度大于其投影长度。也就是说，共面波导信号线120的横截面呈曲线形。

第一共面波导地线131和第二共面波导地线132分别设置在所述共面波导信号线两侧。需要说明的是，第一共面波导地线131的长度大于其投影长度，第二共面波导地线132的长速度大于其投影长度。也就是说，第一共面波导地线131、第二共面波导地线132与共面波导信号线120的弯曲程度一致，以使第一共面波导地线131与共面波导信号线120之间的距离与第二共面波导地线132与共面波导信号线120之间的距离相同。在本实施例中，共面波导信号线120与第一共面波导地线131、第二共面波导地线132构成共面波导传输线。

第一匹配电阻141和第二匹配电阻142分别将共面波导信号线120与对应的共面波导地线连接。也就是说，第一匹配电阻141的两端分别与第一共面波导地线131和共面波导信号线120连接，第二匹配电阻142的两端分别与第二共面波导地线132和共面波导信号线120连接。第一匹配电阻141和第二匹配电阻142靠近热电堆150设置。

热电堆150与共面波导信号线120相对间隔设置。

至少一个湿度敏感元件160设置在共面波导信号线120上。也就是说，湿度敏感元件160可以只有1个，也可以有多个，可以根据实际需要进行选择，本实施例不做具体限定。

本发明的传感器将共面波导信号线的长度设计成大于其投影长度，至少一个湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线上。当湿度敏感元件吸收水分子时，共面波导信号线与湿度敏感元件作为整体产生较大形变，响应速度快、灵敏度高；该湿度传感器突破了传统检测结构的思维模式，有效地将湿度敏感元件的膨胀形变转换为共面波导信号线的弯曲形变，传感器体积小、结构新颖、测量方式简单；将湿度的变化转换为共面波导与匹配电阻间的失配，灵敏度高；通过热电堆输出热电势，测量方式简单，极大拓展了湿度传感器的实际适用性；该湿度传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的微型化。

示例性的，如图1所示，湿度敏感元件160设置在共面波导信号线120朝向第一共面波导地线131的一侧；或者，湿度敏感元件160设置在共面波导信号线120朝向第二共面波导地线132的一侧。也就是说，一个或者多个湿度敏感元件160可以只分布在共面波导信号线120的其中一侧。

示例性的，如图1所示，当湿度传感器100包括多个湿度敏感元件160时，其中，至少一个湿度敏感元件160设置在共面波导信号线120朝向第一共面波导地线131的一侧，其余湿度敏感元件160设置在共面波导信号线120朝向第二共面波导地线132的一侧。也就是说，当有多个湿度敏感元件160时，湿度敏感元件160可以分布在共面波导信号线120的两侧。

进一步优选的，如图1所示，多个湿度敏感元件160交错对称分布于共面波导信号线120的两侧。将湿度敏感元件160分别交错对称的分布于曲线形共面波导信号线120的两侧，当湿度敏感元件吸收水分子时，曲线形共面波导信号线120与湿度敏感元件160作为整体产生较大收缩或者膨胀形变，响应速度快、灵敏度高。

更进一步优选的，如图1所示，共面波导信号线120的横截面呈S形，且湿度敏感元件160设置在S形共面波导信号线120的最顶端或最底端。也就是说，在本实施例中，湿度敏感元件160为2个，分别设置在S形共面波导信号线的最顶端或者最低端，这时，湿度敏感元件160吸收水分子时，S形共面波导信号线120与湿度敏感元件160作为整体产生的形变最大，响应速度最快，灵敏度最高。

示例性的，在本实施例中，湿度敏感元件160采用水凝胶或者聚酰亚胺材料制作形成。该湿度敏感元件选用的湿度敏感材料水凝胶或聚酰亚胺对湿度变化特别敏感，可以进一步提高湿度传感器100的灵敏度。

示例性的，在本实施例中，湿度敏感元件160的尺寸相同。也就是说，湿度敏感元件160的规格形状完全一致。

示例性的，如图1和图2所示，湿度传感器100还包括第一锚区171和第二锚区172，其中，第一锚区171靠近热电堆150设置。共面波导信号线120的第一端通过第一锚区171与基板110连接，共面波导信号线120的第二端通过第二锚区172与基板110连接。

示例性的，如图1所示，第一匹配电阻141的第一端与第一共面波导地线131连接，第一匹配电阻141的第二端与第一锚区171的第一端连接。第二匹配电阻142的第一端与第二共面波导地线132连接，第二匹配电阻142的第二端与第一锚区171的第二端连接。

如图1所示，本发明的湿度传感器的工作原理为：当空气中的湿度增加时，湿度敏感元件160中的水凝胶或者聚酰亚胺吸收水汽分子，湿度敏感元件160与曲线形共面波导信号线120之间产生向共面波导信号线120一侧的弯曲形变，共面波导传输线的特性阻抗改变，导致共面波导传输线与匹配电阻失配，造成微波信号反射增大，匹配电阻的功率消耗减小，匹配电阻温度降低。利用热电堆感应匹配电阻的温度变化，输出热电势，实现对湿度的测量。

本发明的传感器，通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的微型化；该湿度传感器选用的湿度敏感材料水凝胶或聚酰亚胺对湿度变化特别敏感，将湿度敏感元件分布于曲线形共面波导信号线上，使得整体结构产生较大收缩或膨胀形变，响应速度快，灵敏度高，结构新颖；并且该湿度传感器通过微波信号反射原理，通过读取热电堆的输出热电势进行测量，测量方式简单，极大拓展了湿度传感器的实际适用性，为实现湿度传感器在工业自控领域中的产业化应用提供了支持和保证。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括：

基板；

共面波导信号线，悬设在所述基板上，所述共面波导信号线的长度大于其投影长度；

第一共面波导地线和第二共面波导地线，分别设置在所述共面波导信号线两侧；

第一匹配电阻和第二匹配电阻，分别将所述共面波导信号线与对应的共面波导地线连接；

热电堆，与所述共面波导信号线相对间隔设置；

至少一个湿度敏感元件，所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线上。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第一共面波导地线的一侧；或，

所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第二共面波导地线的一侧。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括多个湿度敏感元件，其中，至少一个所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第一共面波导地线的一侧，其余所述湿度敏感元件设置在所述共面波导信号线朝向所述第二共面波导地线的一侧。

4.根据权利要求3所述的湿度传感器，其特征在于，所述多个湿度敏感元件交错对称分布于所述共面波导信号线的两侧。

5.根据权利要求1至4任一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述共面波导信号线的横截面呈S形。

6.根据权利要求5所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感元件设置在S形共面波导信号线的最顶端或最底端。

7.根据权利要求1至4任一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感元件采用水凝胶或者聚酰亚胺材料制作形成。

8.根据权利要求1至4任一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感元件的尺寸相同。

9.根据权利要求1至4任一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器还包括第一锚区和第二锚区，所述第一锚区靠近所述热电堆设置；

所述共面波导信号线的第一端通过所述第一锚区与所述基板连接，所述共面波导信号线的第二端通过所述第二锚区与所述基板连接。

10.根据权利要求9所述的湿度传感器，其特征在于，所述第一匹配电阻的第一端与所述第一共面波导地线连接，所述第一匹配电阻的第二端与所述第一锚区的第一端连接；

所述第二匹配电阻的第一端与所述第二共面波导地线连接，所述第二匹配电阻的第二端与所述第一锚区的第二端连接。

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