CN203350217U

CN203350217U - 用于测量高湿度状况和/或凝结的湿度传感器

Info

Publication number: CN203350217U
Application number: CN201320428631.4U
Authority: CN
Inventors: T·卡明斯; J·O·奥康奈尔
Original assignee: Silicon Laboratories Inc
Current assignee: Silicon Laboratories Inc
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: US20140026652A1

Abstract

提供湿度传感器，其具有能够测量的接近100%相对湿度的湿度水平以及表现为“100%以上”RH值的凝结测量结果。该湿度传感器是基于电容的传感器。传感器的（多于一个）电容器被设定尺寸使电容器的大部分电场延伸到传感器/环境空气界面，以使在界面的环境侧的状况提供数据给传感器。具体地，传感器的环境侧/环境空气界面上形成的水分的电容影响/效应被用作测量结果的部分，以使低于和高于100%的相对湿度水平都能够被检测。传感器的（多于一个）电容器被设定尺寸使得电容器的大部分电场延伸到空气界面，以使在界面的环境侧的状况提供数据给传感器。

Description

用于测量高湿度状况和/或凝结的湿度传感器

相关申请

本申请涉及与该申请在同一日期同时提交的下述申请，美国专利申请号13/557820，标题为“包括不同单位元结构的电容式传感器（Capacitive Sensor Comprising Differing Unit Cell Structures）”；其公开内容通过引用全部被明确地包含在本文中。

技术领域

本文公开的技术涉及湿度传感器，更具体地涉及还可被用于凝结测量的湿度传感器。

背景技术

各种各样类型的传感器被用于测量气体和其他环境空气状况，例如湿度。当相对湿度浓度上升到高水平时，在表面会发生水分/湿气凝结。凝结，例如表面上“雾”的形成或实际的水滴是一个众所周知的问题。凝结最初会引起窗户和表面起雾，造成能见度问题和金属表面的腐蚀。另外，水分的增加引起雾滴的增加，并最终凝结成水滴或水池。水的形成导致电气设备短路，供暖/通风/空调（HVAC）系统中的积水池，等等。例如，在健康呼吸机管和持续气道正压通气（CPAP）装置中，凝结物凝结成水被称为“成雨（rainout）”。这些形成在通气管内的水池若不慎通过鼻子吸入是非常危险的。凝结的可靠检测是困难的，尤其是通过高RH、起雾和成雨三个阶段的向上转变以及随着情况逆转通过这三个阶段的向下转变。一种途径使用光学方法，其中光被表面反射，然后反射光特性被用于推断凝结的存在。该技术因为元件、装配和安装的成本而昂贵，而且较难区分起雾和成雨。另一种途径利用测量电极间的电阻并检测在水滴形成时电极间的减小的电阻或短路。然而，由于放置不佳或错误安装，该技术可能不可靠，并且该技术不能检测早期“起雾”凝结阶段。第三种凝结测量技术利用相对湿度传感器和温度传感器的组合测量露点。利用该技术，当空气温度下降到等于露点温度时，可以“推断“凝结。然而这种方法也是有问题的，将在下一段说明。

很多湿度传感器的使用也是有问题的，因为大多数湿度传感器在存在凝结物时不能工作，并且在凝结环境中经常被明确禁止工作。因此，很多湿度传感器的工作限制是相对湿度（RH）小于95%或甚至小于90%。然而，在一些应用中希望具有RH大于95%的精确湿度测量以及/或希望检测凝结的实际存在和凝结量。例如，在健康呼吸机中，在一个典型实施例持续气道正压通气（CPAP）装置中，希望在95-98%范围内的RH水平工作。典型湿度传感器被设计用于较低RH水平或“非凝结“状况，不能适用于这种高RH水平工作或用于凝结可发生的其它应用中。

实用新型内容

在一个示例的非限制性实施例中，提供湿度传感器，其中可以测量接近100%相对湿度，甚至“100%以上”相对湿度的凝结湿度水平，在此读数“100%以上”对应于传感器上形成的不同凝结量。该湿度传感器是基于电容的传感器结构，用于测量0到100%正常范围内的RH。传感器结构的（多于一个）电容器被设定尺寸以使电容器的大部分电场延伸到传感器/环境空气界面，从而在界面的环境侧的状况为电容式传感器提供数据。特别地，传感器/环境空气界面的环境侧上水分形成的电容影响被用作电容式测量的部分，以使在相对湿度水平“100%以上”的凝结形成量能被测量。该传感器能区分起雾和成雨，因此随着环境从正常RH到凝结/起雾然后到“成雨”状态变化来提供连续信号。

在一个实施例中，提供一种湿度传感器，其特征在于包括：湿度敏感电介质材料，其具有可以被暴露于环境空气状况的表面；以及多个电容器电极，形成的所述电容性电极使所述湿度敏感电介质材料的电容测量结果可以被获得，所述电容测量结果表示所述环境空气状况的湿度水平；所述多个电容器电极被隔开，以提供所述电容器电极间的电场，至少若干所述电场延伸到被暴露于环境空气状况的所述湿度敏感电介质材料的表面之外，以使可以从吸入所述湿度敏感电介质材料的水分检测小于95%的相对湿度水平，而且大于100%的相对湿度水平可被表示为所述至少若干电场延伸到所述湿度敏感电介质材料的表面之外的结果，超过100%的相对湿度水平的检测表示在所述湿度传感器上形成凝结物。所述电容器电极被隔开，以使所述电容器电极间的至少5%的所述电场延伸到被暴露于所述环境空气状况的所述湿度敏感材料的表面之外。在进一步的实施例中，所述电容器电极被隔开，以使所述电容器电极间的5%到20%的所述电场延伸到被暴露于所述环境空气状况的所述湿度敏感材料的表面之外。

在进一步的实施例中，所述湿度传感器检测所述湿度敏感电介质材料表面上的不同凝结物量。不同凝结物量至少包括起雾和连续水帘的形成。

在进一步的实施例中，所述湿度传感器提供从90%以下相对湿度到100%以上相对湿度的相对湿度水平的连续检测。其中所述电容器电极被隔开，以使所述电容器电极间的5%到20%的所述电场延伸到被暴露于所述环境空气状况的所述湿度敏感材料的表面之外。

在进一步的实施例中，所述湿度敏感电介质材料覆盖多个电容器电极。

在进一步的实施例中，所述湿度传感器提供从小于100%相对湿度到大于100%相对湿度的相对湿度水平的连续检测。所述湿度传感器提供具有表示在所述湿度敏感电介质材料表面上形成连续水膜的测量转变的电容测量。

在一个实施例中，提供气体传感器，其包括配置为提供表面的湿度敏感电介质材料，该表面可以暴露于环境空气状况。该气体传感器还包括多个电容器电极，形成的电容电极使湿度敏感电介质材料的电容测量结果可以被获得，湿度敏感电介质材料的电容测量结果表示环境空气状况的湿度水平。多个电容器电极被配置为提供电容器电极之间的电场，至少若干电场延伸到被暴露于环境空气状况的湿度敏感电介质材料的表面之外，以使至少小于95%的相对湿度水平可以从进入湿度敏感电介质材料中的水分中被检测，并且大于100%的相对湿度水平可以被表示为延伸到湿度敏感电介质材料的表面之外的至少若干电场的结果，超过100%的相对湿度水平的检测由传感器上形成的凝结物表示。

在另一个实施例中描述配置湿度传感器的方法。该方法可以包括提供可以被暴露于环境空气状况的湿度敏感材料，以及提供可以被配置用于水分进入湿度敏感材料的电检测的电极，电检测提供在环境空气状况下至少低于95%相对湿度水平的湿度水平检测。该方法还包括配置湿度传感器以检测大于100%的相对湿度水平，其中当这种湿度水平大于100%时，湿度传感器能够检测形成在湿度敏感材料表面上的不同凝结量。

附图说明

图1A-1C图示了示例电容式湿度传感器。

图2图示了在图1A的电容式湿度传感器上形成的示例电容。

图3图示了利用在传感器表面形成的水分的电容影响在图1C的电容式湿度传感器中形成的示例电容。

图3A图示了电容与相对湿度曲线。

图4图示了由电容式湿度传感器表面上的连续水分形成的示例电场。

图5是电容式湿度传感器的交叉指型电极的示例俯视图。

具体实施方式

本文公开的湿度和/或凝结传感器有目的地使用高RH状况测量，甚至包括凝结状况测量，而不是限制在较低RH范围使用。在一个实施例中，该传感器可以是电容式湿度传感器。图1A-1C提供电容式湿度传感器的说明性实施例，尽管将认识到可以采用本文公开的技术使用很多其他电容式湿度传感器结构布置。如图1A截面所示，传感器电极110、112和114可以被形成在基底101上，以形成交叉指型电容式结构的“手指”。将认识到电容式结构可由如图1A所示排列的许多电极形成。电极之间获得的电容测量结果可被用于决定湿度水平。传感器电极可以是各种各样导电材料中的任意一种。基底101可以是各种各样基底中的任意一种，并且在非限制性实例中可以是包括各种各样的集成电路层（没显示）的半导体基底，如本领域已知的。例如，康明斯（Cummins）的美国专利号为8007167的专利提供了形成在集成电路基底上的电容式传感器。传感器电极可以被形成在层104中，比如，例如硅-二氧化物层104。钝化层106（一个实例中是硅氮化层）可以覆盖电极，然后传感器电介质层109（一个实例中是聚酰亚胺）可以覆盖钝化层106。如图1B所示，在一个实例中可以略去层104。再如图1C所示，层104和层106都可以被略去。在工作过程中，传感器电介质层109的表面111被暴露于希望在其中测量的环境湿度状况。因此，传感器电介质层109的至少部分上表面111可以是空气/电介质层界面，而层109可被认为是环境湿度状态敏感层。环境空气中的相对湿度改变传感器电介质层的介电常数，因为环境空气中的不同湿度浓度将影响进入传感器电介质材料的水分量。电介质材料中吸入水分会改变电极间检测的电容。通过测量电极间的电容，可以确定环境空气中的湿度浓度。如图1A-1C所示，电极间的电场可以包括电场线120。电极间的电场将包括穿过层104的元件（如图1A所示），层106中的元件和层109中的元件甚至基底101中的元件。在典型较低相对湿度操作中，由湿度渗入引起传感器电介质层109的变化是可被用于检测环境湿度状况的变化。例如，图1A-1C所示的电容器湿度传感器结构在本领域内是已知的，例如，比如上述提及到的美国专利8007167中所示的。

因此，根据所用的传感器结构，电极间被测量的电容可被建模为由不同层的不同电容组成。例如，图2实施例图示了由图1A实施例的结构形成的示例电容器。如图2所示，电极间的电容包括来自被建模的电容器200，202，204和206的分量。为图1B和1C的示例实施例显示相似的示例电容模型。在典型低湿度感测状况下，希望传感器电介质层109的电容206相对于环境湿度状况呈现最大的变化，这种变化是由水分从环境进入传感器电介质层109中引起的。然而，将认识到电容测量的所有不同分量会受温度变化、化学污染、物理污染等的影响，从而影响环境状况检测的精确性。

图3图示了还可以检测凝结的湿度传感器的说明性实施例。为了简化图，例如，图3图示了针对诸如其中没有层104和106的图1C传感器的电容模型。然而，将认识到图3的图示同样适用于其他电容器模型，例如图2所示的电容器模型。如图3所示，凝结物已经开始以水滴300的形式在传感器电介质层109的表面111上形成。如图3所示，随着凝结物300 的增加，还形成额外的电容306。电容306是由传感器电介质层109的表面上的水分子引起的额外电容。更特别地，水（80）的高介电电容引起增加可测量的电容。因此，传感器电介质层中的电场线还能延伸以检测表面111上的水分子。以这种方式，检测的电容的改变可被用于检测凝结的发生。

另外，随着相对湿度增加到100%，本文所述的系统可以提供大于100%的相对湿度读数。将认识到环境空气状况中的相对湿度不会超过100%。然而，本文所述系统和技术可以提供超过100%的湿度读数。在这种情况下，超过100%表示传感器表面上的水分子密度，因此测量的“相对湿度”将随着水分子的增加而增加到100%以上，并且能够测量检测的电容进一步变化。以这个方式，“相对湿度”测量可以提供达到100%并超过，例如120%，140%，160%等等的读数。其中超过100%的增加部分对应水滴300的额外电容306。以这种方式，如本文使用的，超过100%的相对湿度测量结果表示传感器表面上的凝结量。测量结果的检测值会随着凝结物增加而继续增加。如下文所述，检测的测量结果会继续增加，直到达到连续水帘形成点，在该点，电容场线会被短路，而且检测的湿度会出现骤降。

在一个实施例中，可以使电容的改变与水滴的厚度相关联，并提供作为结果的凝结测量值。例如，在一个实施例中，已经发现：超过100%RH的量每增加1%RH对应大约8.5埃水分。因此，在描述的实施例中，已经发现通过测量电路，大约850埃厚的雾或凝结物的形成和大约200%RH读数相关。

在某一点，凝结物变得如此密集，以至于“联结”或“凝固”成连续水帘或水滴。在这种情况下，传感器表面的水表现为电容接地平面。图4图示传感器电介质层109的表面111上的连续水帘400。在这种状况下，场线402吸引到水帘，即，就像“被短接”到接地平面。在这个点，传感器对相对湿度和凝结水平的灵敏度停止，而且检测的读数可达到最小值。这是由于通过感测层的几乎所有场线都与表面111上的低阻抗水帘短接。例如，在一个实施例中，在这种状况下，检测的相对湿度水平可以达到最小值，例如－400%RH。

随着湿度状况改变和水从表面蒸发，检测的测量结果将改变，并且当表面不再有水分时，检测的测量结果会降到100%RH测量结果以下，并且传感器继续正常工作。因此，随着环境从正常RH（0-95%RH）变为“起雾”（95%-200%），传感器为控制系统提供连续信号，使得能够进行平稳控制和逆转，例如，通过额外的空调。另外，在水形成的情况下（“成雨”），传感器也能检测到，并触发适当系统响应，例如干燥-空气净化。

因此，本文提供的技术提供一种方法，该方法提供高达100%的相对湿度水平的连续检测，以及还提供具有从100%水平以下到超过100%水平的连续转变的100%以上的被检测水平（超过的部分表示传感器表面上的变化凝结程度）。图3A提供的图表示绘制的电容测量结果和相对湿度。如图3A所示，在区域350内，检测的电容改变达到100%相对湿度，表示环境相对湿度水平从0增加到100%。在区域360内，检测的电容提供超过100%水平的连续测量，该区域中的测量结果对应增加的凝结物。在点370处，检测的电容骤降，表示在传感器表面上形成连续水帘。

为了获得由如图3所示的上表面111上的水分形成引起的电容影响/效应的优势，希望与电极关联的电场基本上延伸到传感器电介质层的表面区域。影响电场延伸的一个因素是电极的周期性（周期，P，等于电极之间的间隙宽度加上电极宽度）。众所周知，对于典型的传感器材料，电极上大约95%的电场被包含在传感器电极上大约P/2的区域内，其中P是电极的周期。因此，例如就图3的实施例而言，电极110，112和114的尺寸和传感器电介质的厚度可以以一种方式被配置，以使表面111上的水分的电容效应将对电极间检测的电容具有可测量的影响。以这样的方式，表面111上的水分形成可以被检测，而且检测的电容可以和100%RH或更高的RH水平相关。

在一个实施例中，传感器电场可以以这样的方式被配置，以使得可获得0-90%的RH水平的传统传感器测量结果，同时足够的电场可延伸到传感器电介质层的表面上，使得90%-100%甚至更高的RH水平可以被测量。传感器电介质层和电极的尺寸可以以这样的方式被配置，以使传感器电介质层内和传感器电介质层上的足够电场可以存在，以提供低水平RH区域和高水平RH区域中的RH读数。以这个方式，可以提供具有RH水平的延伸范围的电容式传感器。在实施例的一个范围内，传感器可以以一方式被构造，以使包含在传感器电介质中的电场的百分比被选择为在60%到95%的范围内。在一个实施例中，大约80%的电场在传感器电介质材料内，而大约20%延伸到表面以上。在一个优选范围内，传感器尺寸可被配置为在传感器电介质内的80%到95%的范围内。在另一个实施例中，大于5%的电场延伸到传感器电介质表面以上，并且在选择的实施例中，大约至少20%的电场延伸到该表面以上。这种技术可以提供对较低（小于90%）RH水平的传感器灵敏度有足够的精确性，同时对更高RH水平提供测量精确性，即，在特殊环境状况或应用中，传感器的响应可以在操作中被动态调整。

在一个实施例中，表面111处的电容测量的灵敏度可以通过消除整个结构的在较低水平的电容的影响（比如，例如图2的电容200和202）而被提高。更具体地，用于移除结构的较低水平的这种电容的一个示例技术在美国专利申请号13/557820，标题为“包含不同单位元结构的电容传感器（Capacitive Sensor Comprising Differing Unit Cell Structures）”中被描述，该申请与本申请同日同时提交；其公开内容通过引用全部被明确地包含在本文中。在该技术的一个实施例中，传感器可以由一个或更多第一单位元和一个或更多第二单位元组成。第一单位元可被构造为与第二单位元不同。另外，单位元的配置是使一个单位元可包括包含湿度敏感层上表面处电容的湿度敏感层的电容影响和其他环境电容影响，而另一个单位元包括其他环境电容影响，但基本上不包括在湿度敏感层上表面层处的电容影响。通过利用来自两个单位元的测量结果，包含上表面的湿度敏感层的电容影响可以基本上和其他环境电容影响隔离。在一个示例的非限制性实施例中，两个单位元的测量结果的使用包括电容减去处理。在一示例的非限制性实施例中，单位元的周期不同。利用这种技术允许更灵敏的测量，其隔离由环境湿度状况变化引起的最感兴趣区域中的电容改变的影响。然而，将认识到本文描述的关于使用环境/传感器界面上的水分效应的技术不被限制于不同单位元结构技术，并且这些不同单位元技术仅仅是示例性的。因此，例如，传感器的尺寸可以仅以一方式被配置，以使环境/传感器界面处水分的电容影响可以以和给定的RH水平相关方式被检测，而不使用不同单元尺寸技术。

将认识到本文的图中显示的电极可被安排在广泛范围的布局内，以提供电极间的电容测量，并且本文描述的技术不限于任意一个特殊的电极布局。因此，例如，图1-4的电极的截面可以是交叉指型手指电极布局的部分，这种电极布局的简化示例俯视图在图5中示出。如图5所示，第一电极502（对应于图1-4的电极110和114）可以与第二电极504（对应于图1-4的电极112）相互交错。如所述的，图5仅仅是一种可被使用的电极布置的图解说明，并且许多其他的电极布置的变型同样适于本文描述的电容测量技术的使用。另外，该技术可以与具有收集数据的一个电容器的传感器一起使用，或者可以此外与具有若干都收集数据的电容器的传感器一起使用。

图中的基底101可以是多种多样的基底中的任意一种，并且在一个非限制性实例中，可以是包括各种各样本领域已知的集成电路层（图中没显示）的半导体基底。例如，康明斯的美国专利8007167号的公开内容通过引用被明确包含在本文中，其提供了形成在集成电路（IC）基底上的电容式传感器。该IC包含提供处理器功能，数字信号处理功能，模数转换功能，数模转换功能，可编程性，存储器存储等的电路系统。另外，该IC包括其他对感测有用的结构，例如温度传感器和加热器。在实践中，所有这些额外功能可以被一起使用，从而将检测的电容值关联到测量的湿度值，从而针对给定温度校准湿度传感器。

因此，在一个示例的非限制性实施例中，提供湿度传感器，其可以检测接近100%相对湿度，甚至超过100%的相对湿度的湿度水平。湿度传感器是基于电容的传感器结构。传感器结构的（多于一个）电容器被设定尺寸以使电容器的大部分电场延伸到传感器/环境空气界面，从而在界面的环境侧的状况为电容式传感器提供数据。特别地，传感器/环境空气界面的环境侧上形成的水分的电容影响被用作电容测量的部分，以使100%以上的相对湿度水平能被检测。传感器结构的（多于一个）电容器被设定尺寸以使电容器的大部分电场延伸到传感器/环境空气界面，从而界面的环境侧的状况为电容式传感器提供数据。由于湿度传感器被设计为允许测量甚至在传感器表面上形成的水分的存在，所以湿度传感器可被用于测量非常高的100%以下的RH水平（例如95%或更高，或者甚至98%或更高）或者甚至100%以上的RH水平。因此，本文公开的湿度传感器并不限于象很多已知传感器被限制那样的低RH水平操作。

各种各样的材料可被用于本文描述的湿度传感器的不同组件，同时仍然获得本文描述的优势。用作传感器层109的示例湿度敏感材料包括BDMA（苄基二甲胺）和其他聚酰亚胺类型，例如PBOs，PCB等等。电极可以由范围广泛的导电材料形成，包括铝、铜、难熔金属或其他本领域已知的导电材料。在图3实例的一个示例实施例中，传感器电介质层109可以是厚度为3.6微米的聚酰亚胺，并且电极可以具有1.0微米的厚度，由铝、金、钛、铜、难熔金属或任意其他已知可能用在集成电路制造中的导体材料形成。在该示例实施例中，对于打算包括在传感器电介质层109的表面111处的电容影响的测量，电极可以被形成为宽6微米，间隙3微米。在各种其他实施例中，传感器电介质可以在1到10微米的范围内，而电极可以被选为宽度在2到10之间，而间隙在1到5之间。将认识到，电介质层和电极的结构尺寸的其他组合可以被使用，以提供使电场的显著量（即，大于2%）延伸到传感器电介质表面之上的所需效应。

基于这个说明书，本实用新型的进一步修改和替代实施例对于本专业的技术人员而言是显而易见的。因此，将认识到本实用新型不受限于这些实例布置。相应地，这个说明书被解释为仅是说明性的，旨在指导本领域的技术人员执行本实用新型的方法。应当理解，本文显示和描述的本实用新型的形式被认为是当前的优选实施例。在实施和架构中可以进行不同的改变。例如，等效元件被用于替代本文图示和描述的那些元件，并且本实用新型的某些特征可以独立于其他特征的使用而被使用，受益于本实用新型的描述之后，对于本领域的技术人员而言所有内容都是显而易见的。

Claims

1.一种湿度传感器，其特征在于包括：

湿度敏感电介质材料，其具有可以被暴露于环境空气状况的表面；以及

多个电容器电极，形成的所述电容性电极使所述湿度敏感电介质材料的电容测量结果可以被获得，所述电容测量结果表示所述环境空气状况的湿度水平；

所述多个电容器电极被隔开，以提供所述电容器电极间的电场，至少若干所述电场延伸到被暴露于环境空气状况的所述湿度敏感电介质材料的表面之外，以使可以从吸入所述湿度敏感电介质材料的水分检测小于95%的相对湿度水平，而且大于100%的相对湿度水平可被表示为所述至少若干电场延伸到所述湿度敏感电介质材料的表面之外的结果，超过100%的相对湿度水平的检测表示在所述湿度传感器上形成凝结物。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于其中所述电容器电极被隔开，以使所述电容器电极间的至少5%的所述电场延伸到被暴露于所述环境空气状况的所述湿度敏感材料的表面之外。

3.根据权利要求2所述的湿度传感器，其特征在于其中所述电容器电极被隔开，以使所述电容器电极间的5%到20%的所述电场延伸到被暴露于所述环境空气状况的所述湿度敏感材料的表面之外。

4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于其中所述电容器电极被隔开，以使所述电容器电极间的5%到20%的所述电场延伸到被暴露于所述环境空气状况的所述湿度敏感材料的表面之外。

5.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电介质材料覆盖所述多个电容器电极。