CN116067422A - 一种温湿度复合传感器 - Google Patents

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焦贵忠
赵志鑫
盛健
田晓华
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Abstract

本发明涉及一种温湿度复合传感器，包括基板上设置湿度敏感结构（2）和温度敏感结构（3），湿度敏感结构和温度敏感结构分别与放大器（4）电学连接，放大器4以及校验存储器（6）与A/D转换器（5）电学连接，A/D转换器与控制单元（7）电学连接；温、湿度敏感结构分别产生相对湿度、温度的信号，传送至放大器放大后分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，校准和纠错后的数字信号传送至控制单元，通过二线串行接口将测量的数据送至单片机。

Description

一种温湿度复合传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括湿度敏感结构、温度敏感结构、放大器、A/D转换器、校验存储器与控制单元在同一个芯片上实现无缝隙连接。
背景技术
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术存在的缺陷，提供的一种温湿度传感器。
解决多个物理量参数不可同时测量的问题。
 它们不仅能准确测量相对湿度，还能测量温度和露点。测量相对湿度的范围是 0～100%，分辨力达 0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为 0.01℃。测量露点的精度<±1℃。
本发明采用的技术方案如下：
一种温湿度复合传感器，其特征在于：基板上设置湿度敏感结构和温度敏感结构，湿度敏感结构和温度敏感结构分别与放大器电学连接，放大器以及校验存储器与A/D转换器电学连接，A/D转换器与控制单元电学连接；温、湿度敏感结构分别产生相对湿度、温度的信号，传送至放大器放大后分别送至 A/D 转换器进行模/数转换、校准和纠错，校准和纠错后的数字信号传送至控制单元，通过二线串行接口将测量的数据送至单片机。
进一步的，基板1的背面设有加热电极，由控制单元控制加热电极的加热温度。
进一步的，所述的湿度敏感结构，由带有氧化层的硅衬底和设置在硅衬底上的上极板、下极板以及聚酰亚胺材料组成，上极板、下极板与聚酰亚胺材料处于同一层，上、下极板为叉指型结构，其中上极板的叉指与下极板的叉指形成叉指型交错结构，叉指之间用介质聚酰亚胺填充。
进一步的，温度敏感结构，金属铂薄膜电阻设置在衬底上面，衬底下面设置金属电极与金属铂薄膜电阻相连，在金属铂薄膜电阻以及金属电极上制有保护膜。
 本发明所涉是智能化湿度、温度传感器融合产品，其外形尺寸仅为 7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），体积与火柴头相近。每只传感器都在温度室中做过精密标定，标定系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对湿度的范围是 0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为 0.01℃。测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时 A/D 转换器的位数分别可达 14 位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。
 芯片内部包含湿度敏感结构、温度敏感结构、放大器、A/D转换器、校验存储器与控制单元（即附图1中CRC发生器）等模块组成。其测量原理是首先利用温湿度敏感结构分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至 A/D 转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将测量的数据送至单片机。
 （2）基于集成半导体通用技术，解决集成化、小型化的问题
芯片内部包含芯片内部包含湿度敏感结构、温度敏感结构、放大器、A/D转换器、校验存储器与控制单元等模块。组成温湿度敏感结构的制备兼容半导体工艺技术，采用了通用工艺技术，与后端处理电路制备在同一个芯片上，高度的集成化、小型化。
 （3）采用独特的二次加热封装结构，解决智能化温控的问题
将控制单元的状态寄存器的第2位置“1”时，加热器接通电源，可使传感器的温度大约升高5℃，电源电流亦增加8mA(采用+5V 电源)。加热器非集成在芯片上，二是在封装过程中二次集成。使用加热器可实现以下三种功能：①通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值，可确定传感器是否正常工作；②在潮湿环境下使用加热器，可避免传感器凝露；③测量露点时也需要使用加热器。
本发明的温湿传感器的湿度敏感结构、温度敏感结构、放大器、A/D转换器、校验存储器与控制单元在同一芯片上。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
附图说明
图1是本发明原理结构框图；
图2是本发明的热敏薄板的结构示意图；
图3是本发明的复合传感器封装结构图；
图4是湿度敏感结构图；
图5是温度敏感结构图。
实施方式
本发明的原理框图见附图1，本发明是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
 1、芯片的基板上设置湿度敏感结构2、温度敏感结构3、放大器4、A/D转换器5、校验存储器6与控制单元7（包括CRC发生器和2-线数子接口）组成，温湿度敏感结构分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至 A/D 转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将测量的数据送至单片机。
湿度和温度线性区都在极为精确的温湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在校验存储器中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数，两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。
 2、加热器采用独创结构的热敏薄板，见附图2，薄板主体1与本发明的芯片的衬底3导热粘合，薄板加热电极1、2与衬底3导热粘合，薄板加热电极1、2与控制单元键合连接，在状态寄存器的控制下，使能和失能控制其加热与否，完成整体微电路的加热控制。
 3、芯片功能主要包括湿度敏感结构、温度敏感结构、ADC、放大器、数字接口模块以及校验存储器。本发明采用 LCC8 陶瓷封装，外形见附图3。
 4 湿度敏感结构
附图4本发明采取独创的叉指结构湿敏结构，从图中可以看出，最下层也是带有氧化层的硅衬底100，上极板101、下基板102与聚酰亚胺材料103处于同一层，上下极板为叉指型结构，其中上极板的叉指101a与下极板的叉指102a形成叉指型交错结构，叉指之间用介质用聚酰亚胺103填充。叉指结构的化学稳定性好，响应速度很快，但是寄生电容对其影响较大。
由于电容式湿度传感器是检测电容值变化，所以避免了电阻式当中电阻带来的噪声，对环境变化有较强的抗干扰能力，而且受温度的影响较小，且电容式还有体积小、响应速度快、线性度较好、功耗低等特点，其结构简单，只要表面工艺就可以实现，与CMOS工艺良好的兼容性。
 聚酰亚胺材料的介电常数随着相对湿度的改变变化，所以湿度能够通过聚酰亚胺来检测，聚酰亚胺的介电常数正比于相对湿度，其线性度好，耐高温特性使其在湿度传感器当中得到广泛的应用。
 5.温度敏感结构
温度敏感结构本发明独创性的采用了金属薄膜的感温原理，基于兼容的半导体工艺技术，在硅片的感温敏感结构区多靶溅射金属铂，制备成技术薄膜的感温敏感结构，结构示意图见附图5。金属铂材料作成的薄膜电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。本发明的铂薄膜电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
 铂薄膜电阻检测温度是最准确的温度传感器之一，它不仅提供良好的精度，也提供了出色的稳定性和可重复性。大多OMEGA的标准电阻温度检测器都符合DIN-IEC B类标准。除此之外，铂薄膜电阻检测温度还相对防止电气噪声，因此非常适合在工业环境中的温度测量，特别是在电动机和发电机及其他高压设备的周围使用。
 感温模块作为温度传感器当中最核心的模块之一，需要较好的线性度和信噪声性能，为了减少失调和噪声，电路后端使用了使用了动态元件匹配技术（DEM）、自动清零技术（Auto-zero）和斩波技术，此部分将产生 PTAT 的差分输出，然后接入后续 ADC 进行处理，使得本发明完成数字化转换过程。
 5.4 其他功能模块
本发明所涉的放大器、ADC功能模块、加热器等模块部分采用了通用的技术，不在本发明中加以赘述。

Claims (4)

1.一种温湿度复合传感器，其特征在于：基板（1）上设置湿度敏感结构（2）和温度敏感结构（3），湿度敏感结构（2）和温度敏感结构（3）分别与放大器（4）电学连接，放大器（4）以及校验存储器（6）与A/D转换器（5）电学连接，A/D转换器（5）与控制单元（7）电学连接；温、湿度敏感结构分别产生相对湿度、温度的信号，传送至放大器放大后分别送至 A/D 转换器进行模/数转换、校准和纠错，校准和纠错后的数字信号传送至控制单元，通过二线串行接口将测量的数据送至单片机。
2.根据权利要求1所述的一种温湿度复合传感器，其特征在于：基板1的背面设有加热电极（8），由控制单元（7）控制加热电极（8）的加热温度。
3.根据权利要求1所述的一种温湿度复合传感器，其特征在于：
所述的湿度敏感结构，由带有氧化层的硅衬底（100）和设置在硅衬底（100）上的上极板（101）、下极板（102）以及聚酰亚胺材料（103）组成，上极板（101）、下极板（102）与聚酰亚胺材料（103）处于同一层，上、下极板为叉指型结构，其中上极板的叉指（101a）与下极板的叉指（102a）形成叉指型交错结构，叉指之间用介质聚酰亚胺（103）填充。
4.根据权利要求1或3所述的一种温湿度复合传感器，其特征在于：
温度敏感结构，金属铂薄膜电阻（202）设置在衬底（203）上面，衬底（203）下面设置金属电极（200）与金属铂薄膜电阻（202）相连，在金属铂薄膜电阻（202）以及金属电极（200）上制有保护膜（201）。
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