CN1900692B - 共振结构湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湿度传感器，它包括共振结构和用于响应于湿度改变而使共振结构的共振频率变化的结构。根据本发明的湿度传感器结构可以以较小的形状要素形成，非常适用于远程应用，并提供了用于对温度漂移进行补偿的机构。

Description

共振结构湿度传感器
技术领域
本发明涉及共振结构湿度传感器。
背景技术
湿度传感器可以广泛用于多种应用中。湿度传感器的示例性应用包括加热调节系统和空调系统。另外，湿度传感器还可以用于处理控制系统、气象站、农业环境等。
湿度传感器可以包括对湿度敏感的电容器，所述电容器的电容响应于湿度改变而改变。例如，对湿度敏感的电容可以包括夹在两个金属板之间的透水性电介质材料。金属板可以有孔，孔使得水可以到达电介质材料。湿度增加可以使电介质材料吸收水。电介质材料吸收的水使电介质材料的介电常数增大，这使电容器的电容增大。
但是，使用对湿度敏感的电容器的湿度传感器可能不适用于许多应用场合。例如，对于许多应用而言，对湿度敏感的电容及相关电路可能太庞大。另外，现有的湿度传感器可能受到温度漂移的影响。
发明内容
本发明公开了一种湿度传感器，它包括共振结构和变化结构，所述变化结构用于响应于湿度改变而使共振结构的共振频率变化。根据本发明的湿度传感器结构可以以较小的形状要素(form factor)形成，非常适用于远程应用，并提供了用于对温度漂移进行补偿的机构。
根据下面的详细说明将使本发明的其他特征和优点更加清楚。
附图说明
本发明是结合具体的示例性实施例进行说明的，并参考下列附图：
图1示出了根据本发明的湿度传感器；
图2示出了一种实施例的共振结构；
图3示出了一种包括了用于测量共振结构的共振频率的电路的湿度传感器；
图4示出了根据本发明，具有温度补偿电路的一种湿度传感器。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的湿度传感器10。湿度传感器10包括共振结构12以及用于响应于湿度改变而使共振结构12的共振频率变化的结构14。在一种实施例中，共振结构12和结构14设在衬底16上。
结构14的质量响应于湿度改变。结构14的质量在共振结构12上提供了质量载荷，它影响共振结构12的共振频率。结构14的质量增加使共振结构12的共振频率降低，而结构14的质量减小使共振结构12的共振频率提高。结果，共振结构12的共振频率可以指示湿度。
在一种实施例中，结构14包括透水性的材料。湿度增加使结构14吸收更多的水并使其质量增加，而湿度降低使结构14释放水并使其质量减小。结果，共振结构12的共振频率降低反映了湿度的增加，而共振结构12的共振频率提高反映了湿度的降低。
结构14可以是吸水的聚合物材料。吸水的聚合物材料的一种示例是二甲基硅氧烷。用于结构14的其他示例性材料包括下列对水敏感的聚合物：4-乙烯基酚、N-乙烯基吡咯烷酮、环氧乙烷和己内酯。
结构14可以通过一定的方法设在共振结构12上，例如通过涂敷、旋涂、浸渍或形成光刻图样，这里仅提出一些示例。共振结构12可以利用形成光刻图样来形成。
图2示出了一种实施例中的共振结构12。此示例中的共振结构12是薄膜腔声谐振器(FBAR)结构。FBAR结构包括一对金属结构20和24以及中间的隔膜结构22。
隔膜结构22响应于声波产生共振，所述声波的波长约为隔膜结构22厚度的一半。取决于隔膜结构22的厚度，隔膜结构22的共振频率可以在0.6到8GHz范围内。响应于湿度改变，结构14的质量使隔膜结构22的共振频率变化。
金属结构20和24可以是铝。隔膜结构22可以是氮化铝。
在一种实施例中，FBAR结构直径约为200微米。FBAR结构的厚度可以在2到3微米之间。
图3示出了湿度传感器10的一种实施例，它包括用于通过测量共振结构12的共振频率而测量湿度的电路。测量共振结构12的共振频率的电路将共振结构12用作振荡器中的滤波元件。共振结构12位于放大器30的反馈环中。共振结构12的谐振产生的压电效应在放大器30的输出32处引起振荡。输出32处的电信号的频率取决于共振结构12的共振频率。结果，输出32处的电信号的频率指示了响应于湿度改变，共振结构12上结构14的机械载荷的改变。
在所示的实施例中，输出32处的电信号驱动天线40。来自天线40的无线(over the air)信号的频率指示了湿度传感器10感知的湿度。来自天线40的信号可以在远程地点接收，用于远程湿度传感的应用场合。与FBAR结构相关的RF谐振频率特别适用于无线远程传感。
或者，输出32处的电信号可以供给信号处理电路(未示出)。信号处理电路可以响应于输出32处的电信号频率而计算湿度值。
图4示出了湿度传感器10的一种实施例，它具有温度补偿电路。温度补偿电路包括共振结构60、放大器62和混频器64。温度补偿电路可以消除共振结构12和60中的共模温度漂移。
随温度改变，共振结构60的共振频率对共振结构12的共振频率进行追踪。在一种实施例中，共振结构60是FBAR结构，它基本上类似于共振结构12的FBAR结构。例如，FBAR结构可以具有基本上相似的金属结构和隔膜结构，即相同的材料和尺寸，并可以形成于相同的衬底上，经受相同的温度改变。
共振结构60位于放大器62的反馈环中，放大器62的输出66处的电信号的频率取决于共振结构62的共振频率。混频器64产生差信号70，所述差信号70指示放大器30和62的输出32和66处的电信号频率的差，即共振结构12和62的共振频率之差。差信号70可以如前所述驱动天线或供给信号处理电路。
或者，输出信号32和66可以由天线发送到远程站点，可以在远程站点确定频率差。
在一种实施例中，共振结构60的FBAR结构和共振结构12的FBAR结构的直径各约为200微米，厚度在2到3微米之间。两个带有结合片的FBAR结构可以设在约0.5mm乘0.5mm的管芯上。
对本发明的前述详细说明是为了说明目的而提供的，并不表示穷尽性的或将本发明限制在所公开的具体实施例中。因此，本发明的范围由权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种湿度传感器，包括：
共振结构，所述共振结构包括薄膜腔声谐振器结构；
变化结构，用于响应于湿度改变而使所述共振结构的共振频率变化，所述变化结构是选择用来提供所述共振结构的质量载荷。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其中，所述变化结构包含对水敏感的聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其中，所述变化结构包含从下列中选择的材料：二甲基硅氧烷、4-乙烯基酚、N-乙烯基吡咯烷酮、环氧乙烷和己内酯。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器，还包括用于通过测量所述共振结构的共振频率而测量湿度的电路。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，还包括用于以所述共振频率发送信号的天线。
6.根据权利要求4所述的湿度传感器，还包括温度补偿电路。
7.根据权利要求6所述的湿度传感器，其中，所述温度补偿电路包括：
第二共振结构；
用于测量所述第二共振结构的共振频率的电路；
用于确定所述共振频率之差的电路。
8.根据权利要求7所述的湿度传感器，还包括用于以所述共振频率之差发送信号的天线。
9.一种用于提供湿度传感器的方法，包括：
形成共振结构，其中，形成所述共振结构包括形成薄膜腔声谐振器结构；
形成用于响应于湿度改变而使所述共振结构的共振频率变化的结构，其中，形成用于进行变化的所述结构包括形成向所述共振结构上提供质量载荷的结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，形成用于进行变化的所述结构包括形成对水敏感的聚合物材料。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，形成用于进行变化的所述结构包括用从下列中选择的材料形成结构：二甲基硅氧烷、4-乙烯基酚、N-乙烯基吡咯烷酮、环氧乙烷和己内酯。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括通过测量所述共振结构的共振频率而测量湿度。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括以所述共振频率发送信号。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括补偿所述共振结构的温度漂移。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述的补偿包括：
形成第二共振结构；
测量所述第二共振结构的共振频率；
确定所述共振频率之差。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括以所述共振频率之差发送信号。
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