CN115756010A - 基于mems的湿度控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的湿度控制系统和控制方法，所述湿度控制系统包括温湿度传感器、微流道、微泵、加热器和分析模块。温湿度传感器实时获取环境温度和湿度，并将环境温度和湿度传输至分析模块。分析模块用于实时获取所述环境温度和湿度进行分析处理，输出控制信息。微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控。加热器根据控制信息，加热液体使其蒸发，从而增加湿度。利用MEMS工艺技术可以将其与需要控制湿度的微器件集成在一起，通过湿度传感器获取环境温度和湿度，根据分析模块输出的控制信息，通过微泵输送液体至加热器。

Description

基于MEMS的湿度控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于微机电控制领域，涉及一种基于MEMS的湿度控制系统和控制方法。

背景技术

湿度是科学研究、工业生产和日常生活中非常重要的一个变量。湿度的测量会受到压强和温度等因素的影响。湿度的校准也是一个难题。因此湿度往往是一项很难准确测量的参数。在处理某些类型的集成电路时，例如在洁净室以及各种沉积腔室中，都需要密切监控和控制湿度水平。在半导体封装等领域，真空度和温湿度的保持很大程度上决定了器件的性能、工作的可靠性以及器件使用寿命。

现有技术中控制封闭的微系统的湿度水平通常有两种方法。第一种方法是调节干气和湿气比例的气流法。这种方法除了供气外，还需要配备不同的运动部件和阀门。另一种方法是使用饱和盐溶液例如氯化锂或氯化镁调节湿度。而这种方法会导致封闭的微系统受到盐分污染，往往对实验室是不利的。

目前封闭系统内常见的加湿控制原理如图1所示：湿度传感器感知到环境中的目标湿度信号后，将目标湿度信号传递给比例积分微分控制器(即PID控制器)，由PID控制器调节加湿器的电磁阀状态实现对加湿过程的控制。与水箱相连的加湿器将湿气输送给加湿目标物。这类系统的问题在于：PID控制器需要比较长的时间达到稳定，受PID控制器控制的加湿器在工作/停止时也需要一定的时间达到稳定，因此在稳定之前，相对湿度会有较大的超调量。

微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)是一种独立的小型系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。本申请人想要制作基于微机电系统的湿度控制系统，目的是能够相对精确地根据小型系统的体积、目标湿度和当前湿度准确计算需水量，从而在数秒甚至几百毫秒内迅速达到加湿的目的。

发明内容

为了克服现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种基于MEMS的湿度控制系统。

本发明的第一方面提供了一种基于MEMS的湿度控制系统，包括温湿度传感器、微泵、微流道、加热器和分析模块；

所述温湿度传感器用于实时获取环境温度和湿度，并将环境温度和湿度传输至分析模块；

所述微流道配置为将液体从微泵输送至加热器的通道；

所述分析模块用于实时获取所述环境温度和湿度进行分析处理，输出控制信息；

所述微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控；

所述加热器根据控制信息，加热液体使其蒸发，从而增加湿度。

进一步地，所述分析模块中存储有目标温湿度值和预设的关系曲线，所述预设的关系曲线为：所述微泵输送液体的流量与所述环境温度和湿度的关系曲线。

进一步地，所述湿度控制系统还包括储液箱，用于储存需要经微流道输送的液体。

进一步地，所述储液箱中的液体为水。

进一步地，所述微泵包括入口微阀和出口微阀，所述入口微阀打开使得所述液体进入微泵，所述出口微阀打开使得所述液体流出微泵进入微流道。

进一步地，所述加热器为微加热器。微加热器可以采用本领域通常的设计。可以采用多晶硅或者铂、铝、铜金属等与MEMS工艺兼容性好的材料作为加热电阻。

进一步地，所述湿度控制系统的容积在5L以下。

进一步地，MEMS可以内置或者在外部连接水箱作为储液箱。

本发明第二方面，提供了一种控制湿度的方法，利用如本发明第一方面所述的湿度控制系统，所述方法包括步骤：

(1)所述温湿度传感器实时获取环境温度和湿度，并将环境温度和湿度传输至分析模块；

(2)所述分析模块对所述环境温度和湿度进行分析处理，输出控制信息；

(3)所述微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控，可选择地，所述液体经微流道输送至加热器；

(4)可选择地，所述加热器根据控制信息，加热液体使其蒸发，从而增加湿度。

进一步地，所述分析模块中存储目标温湿度值和预设的关系曲线。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

利用MEMS工艺技术可以将需要控制湿度的微器件、相应的传感器和分析模块等集成在一起，通过湿度传感器获取环境温度和湿度，根据分析模块输出的控制信息，通过微泵输送液体至加热器。加热器可以在数秒甚至几百毫秒内迅速升温至液体蒸发，达到所需要的湿度。本发明解决了封闭微系统的加湿和精确的湿度控制。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

图1显示了现有技术中常见的封闭系统内的加湿控制原理示意图。

图2是本发明所提供的湿度控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“固定地连接的”或“固定连接”或“非活动地连接的”被理解为指的是在两个或更多结构构件之间的连接不是构造成提供相对运动。一个固定连接的实施例是焊接连结或螺栓连接，以及有些情况下的焊缝和螺栓连接。“活动地连接”或“活动的”或“移动连接”被理解为指的是在两个或多个结构构件之间的连接，其允许在极端的动力载荷下，在构件之间有水平和/或垂直的相对运动。这样的连接通常不允许在静载荷或一般的动力载荷(例如，来自轻度/中等的风力所施加的那样)下运动。

在本说明书中描述的术语“单元(unit)”、“件”、“物”和“模块(module)”表示用于处理至少一种功能和操作的单元，并且可通过硬件组件或软件组件及其组合而实施。

除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。

利用MEMS工艺技术可以将需要保持一定湿度的微器件集成在一起，通过温湿度传感器的数据反馈可以实现微系统内的闭环控制，以提高整个系统的集成度。本发明可以实时监测湿度并调整，使微系统内的湿度达到动态平衡，尤其可以解决复杂环境或狭小空间的湿度控制难题。

下述实施例中以水作为供液为例。

所述分析模块具体用于根据温湿度传感器收集到的环境湿度，比较环境湿度是否低于目标湿度值，如果环境湿度与目标湿度值接近或略高，关闭加热器和微泵。

如果环境湿度低于目标湿度值，分析模块计算出所需要加湿的量，将控制信息输出给微泵和微加热器，微泵根据所述控制信息对所述微流道中供水的流量进行调控。

所述微泵包括入口微阀、出口微阀和泵室，根据所述控制信息，微泵的入口微阀打开使得水进入泵室，出口微阀打开，将所述供液流出泵室，经微流道供给到加热器。

这种系统满足微系统的小型化、能耗低、加湿快和精度高的需求。

本方法提出的制作基于MEMS(微机电系统)的湿度控制系统，针对小型系统，可以根据其体积，目标温湿度和当前温湿度准确计算其需水量，可以通过在芯片上制作的微流道、微阀门和微泵精确输送所需水分到微加热器。MEMS微加热器可以在数秒(甚至几百毫秒)内甚至迅速升温至水分气化所需的温度，并迅速将水气化达到加湿的目的。

需要说明的是，预设的关系曲线是通过测试微泵输送液体的流量与所述温湿度值的关系得到的曲线。分析模块通过接收到的环境温度和湿度在关系曲线中寻找对应的输送流体的流量值，以此来确定控制信息的具体内容，实现了微流道中供液流量的可调。

在本发明的一个实施例中，该基于MEMS的湿度控制系统包括温湿度传感器、微加热器、微流道以及微泵。

微泵的设计与结构属于现有结构，可以考虑具体的使用环境和需求进行优化设计。结构上，微泵是提供微流道中流体流动的动力。入口和出口微阀可以是单向阀，泵室用来临时储存流体。通过微泵的入口微阀和出口微阀的打开和关闭，驱动微流道中水的流动，快速地将需要蒸发气化的水输送到加热器。

微流道是集成在微系统中的流道，可以根据微泵和加热器的位置和分布进行优化设计。微流道主要与微泵连接。

在本发明的一个实施例中，图2显示了湿度控制方法的流程示意图。

首先，温湿度传感器检测环境温度和湿度，传输至分析模块。

如果环境湿度与目标湿度值接近或略高，关闭加热器和微泵。如果环境湿度低于目标湿度值，分析模块计算出所需要加湿的量，将控制信息输出给微泵和微加热器，微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控。

在一种实施方式中，MEMS可以内置或者在其外部连接水箱。水箱供给水分经过微流道到达加热器。

分析模块将收集到的环境湿度，计算所需要加湿的量，发出控制信息。微泵根据所述控制信息对微流道内的供液进行调控，增加湿度。在分析模块中，可以存储目标温湿度值和预设的关系曲线。这样分析模块就可以根据环境温度和湿度的值，计算所需要加湿的量。

开启微泵，将计算所需的水分输送至加热器，加热器迅速启动，蒸发水分，增加环境湿度，以达到目标湿度。

在本申请的一个实施例中，MEMS的基体可以为硅衬底。受限于MEMS的功率，本发明所指的湿度控制系统或者微系统一般是指容积在5L以下的小型系统。

以500ml的微系统在50℃下从0湿度加湿到50％RH为例，共计需要约41mg水分，大概需要106焦耳的热量，因此使用350mW的微加热器可以在5分钟左右完成整个加湿过程。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MEMS的湿度控制系统，其特征在于，包括温湿度传感器、微流道、微泵、加热器和分析模块；

所述温湿度传感器用于实时获取环境温度和湿度，并将环境温度和湿度传输至分析模块；

所述微流道配置为将液体从微泵输送至加热器的通道；

所述分析模块用于实时获取所述环境温度和湿度进行分析处理，输出控制信息；

所述微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控；

所述加热器根据控制信息，加热液体使其蒸发，从而增加湿度。

2.如权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述分析模块中存储有目标温湿度值和预设的关系曲线，所述预设的关系曲线为：所述微泵输送液体的流量与所述温湿度值的关系曲线。

3.如权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述湿度控制系统还包括储液箱，用于储存需要经微流道输送的液体。

4.如权利要求3所述的湿度控制系统，其特征在于，所述储液箱中的液体为水。

5.如权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述微泵包括入口微阀和出口微阀，所述入口微阀打开使得所述液体进入微泵，所述出口微阀打开使得所述液体流出微泵进入微流道。

6.如权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述加热器为微加热器。

7.如权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述湿度控制系统的容积在5L以下。

8.一种控制湿度的方法，利用如权利要求1-7任一项所述的基于MEMS的湿度控制系统，所述方法包括步骤：

(1)所述温湿度传感器实时获取环境温度和湿度，并将环境温度和湿度传输至分析模块；

(2)所述分析模块对所述环境温度和湿度进行分析处理，输出控制信息；

(3)所述微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控，可选择地，经微流道将液体输送至加热器；

(4)可选择地，所述加热器根据控制信息，加热液体使其蒸发，从而增加湿度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述分析模块中存储目标温湿度值和预设的关系曲线。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，如果环境湿度与目标温湿度值接近或略高，关闭加热器和微泵；如果环境湿度低于目标温湿度值，分析模块计算出所需要加湿的量，将控制信息输出给微泵和微加热器，微泵根据所述控制信息对所述微流道中供液的流量进行调控。

Images