基于π型巨压阻结构的湿度传感器及其温漂修正方法
【专利摘要】本发明提供一种基于π型巨压阻结构的湿度传感器，包括4个数据采集器、数据转换集成层和过滤网，4个所述数据采集器分两排分布在数据转换集成层上，所述过滤网置于所述数据采集器的检测区上，所述数据转换集成层包括四点电阻测量电路、CS1180模数转换器、STM32F407单片机和TFT真彩液晶显示屏；4个数据采集器将采集到的数据通过四点电阻测量电路量电路传输给CS1180模数转换器，CS1180模数转换器转换后输出至STM32F407单片机，由STM32F407单片机发送至TFT真彩液晶显示屏，在TFT真彩液晶显示屏上显示；另外，本发明还提供了湿度传感器的温漂修正方法。
【专利说明】
基于:?型巨压阻结构的湿度传感器及其温漂修正方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于31型巨压阻结构的湿度传感器及其温漂修正方法，属于微纳机电系统传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]从上世纪80年代以来随着MEMS(微机电系统)技术的快速发展，越来越多的MEMS器件被广泛应用于工农业、航空航天、气象环境、国防军事等各个领域。而近些年来随着微探针与微流计等器件的研制成功，数量众多的MEMS器件进入了化学分析、大气检测、和温湿度检测等领域。然而，目前的湿度传感器由于器件本身结构限制，无法实现实时高精度、高灵敏度、高可靠性的湿度测量。
[0003]传统的湿度传感器大多采用电阻或者电容式的湿敏元件对空气中的水蒸气浓度进行检测，但是由于水和高分子聚合物的介电常数随温度的改变是不同步的，容易产生温漂，同时容易受到光照的影响，所以在很难实现对微小湿度变化的高精度，高灵敏度测量。因此需要对温度的影响和低灵敏度现状进行处理。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于型巨压阻结构的湿度传感器及其温漂修正方法，该湿度传感器的压阻系数与应变系数均数量级地增加，极大地高了传感器的灵敏度，可以有效地捕捉空气中微小的湿度变化，拓展测量量程。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种基于型巨压阻结构的湿度传感器，包括4个数据采集器、数据转换集成层和过滤网，4个所述数据采集器分两排分布在数据转换集成层上，所述过滤网置于所述数据采集器的检测区上，所述数据转换集成层包括四点电阻测量电路、CSl 180模数转换器、STM32F407单片机和TFT真彩液晶显示屏;4个数据采集器将采集到的数据通过四点电阻测量电路量电路传输给CS 1180模数转换器，CS 1180模数转换器转换后输出至STM32F407单片机，由STM32F407单片机发送至TFT真彩液晶显示屏，在TFT真彩液晶显示屏上显示；
[0006]所述数据采集器包括基底、应力层、检测区和型巨压阻结构，所述应力层置于所述基底上，所述检测区和η型巨压阻结构分布在所述应力层上，其中，检测区置于所述应力层的中心，31型巨压阻结构为两个，分布置于所述检测区的两侧且位于所述应力层边缘处，两个所述JI型巨压阻结构通过金属铝材质的连接线串联，并由一个恒流源供电；所述31型巨压阻结构包括硅结构区、锗结构区和金结构区，其中硅结构区为两段，分布置于所述锗结构区的两端，所述金结构区置于所述硅结构区、锗结构区的同一侧，且所述金结构区的长度等于两段硅结构区和锗结构区的长度之和，所述硅结构区和所述锗结构区的交界处为硅-锗异质结，所述金结构区和所述硅结构区、锗结构区的交界处为金-硅-锗异质结;所述锗结构区的另一侧设有电位监测点;所述H型巨压阻结构的一侧设有温度传感器，用于实时检测环境温度。
[0007]进一步，所述应力层与所述基底之间设有单晶硅材质的固体支撑结构，用于防止应力层因压力过大而破裂。
[0008]进一步，所述应力层和所述固体支撑结构之间设有加热装置，所述加热装置为多晶硅电阻丝。
[0009]进一步，所述数据采集器还包括两个尺寸、组成材料均与型巨压阻结构相同的共模信号补偿结构，两个所述共模信号补偿结构所述检测区的两端且位于所述应力层边缘处，与两个所述η型巨压阻结构形成方形结构，所述共模信号补偿结构与所述η型巨压阻结构通过金属铝材质的连接线串联，并由同一个恒流源供电。
[0010]进一步，所述31型巨压阻结构的周围设有U形应力增强结构;所述应力增强结构为采用RIE刻蚀技术刻蚀在应力层上的槽状结构。
[0011]进一步，所述基底的材质为玻璃，应力层的材质为二氧化硅，检测区的材质为聚酰亚胺。
[0012]进一步，所述四点电阻测量电路与所述的CS1180模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路;所述放大滤波电路包括由电阻Rl、R2、R3、R4与放大器AD620构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容Cl、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器。
[0013]进一步，所述娃-锗异质结的尺寸为(60-70)μηι*5μπρΚ50-150)ηηι，金-娃-锗异质结的尺寸为(60-70)ym*(35-50)ym*(50-150)nmo
[0014]进一步，所述金结构区与所述硅结构区、锗结构区之间设有钛结构区，用于固定金结构区，所述钛结构区的长度与所述金结构区的长度相等。
[0015]本发明还提供了一种基于型巨压阻结构的湿度传感器的温漂修正方法，其特征在于:STM32F407单片机利用二次曲面拟合函数ft^=f(V，T)对温漂的影响进行实时补偿修正，所述二次曲面拟合函数《_=f(V，T)的获得方法包括以下步骤:
[0016]步骤一，将湿度传感器放入恒温恒湿试验箱内，确定温度T= 20度时的湿度作为标准湿度版稚，然后调节试验箱内的温度，调节范围为-20-60度，步长为10度，得到不同温度下湿度传感器的输出电压值V(T);
[0017]步骤二，改变标准湿度版稚，重复步骤一，得到不同温度和不同湿度下的湿度传感器的输出电压值V(!fe稚，T)，将湿度传感器的输出电压值V和温度值T作为待构建的标准湿度曲面方程ft^=(V，T)的输入变量，因此在分析湿度时可以兼顾温度因素的影响；
[0018]步骤三，利用上述实验测量的用于构建曲面方程ft^=(V，T)的离散数据进行二次曲面拟合，并采用最小二乘方法确定二次曲面拟合函数itef=f(v，T)中自变量V和τ的系数，从而确定二次曲面拟合函数版稚=f (V，T)。
[0019]本发明所达到的有益技术效果:本发明提供一种基于型巨压阻结构的湿度传感器，该传感器的实现原理为:环境中的水汽分子透过过滤网滤去杂质后，被综合性能最佳的有机高分子材料聚酰亚胺吸收，由于聚酰亚胺的优异性能，以及过滤网的过滤作用，能够实现在恶劣环境下的湿度检测工作，拓展了本湿度传感器的使用范围。同时该传感器的数据采集器采用具有两个硅-锗异质结和一个金-硅-锗异质结组成的型巨压阻结构，以及在型巨压阻结构周围通过RIE刻蚀制作的应力增强结构，能够使湿度传感器的压阻系数与应变系数均有数量级地增加，通过两种异质结结合使用3型巨压阻结构能够同时沿横向和纵向的放大应力，在相同应力条件下产生更大的电阻阻值变化，从根本上提高湿度传感器的灵敏度;采用两个共模信号补偿结构能够保证该湿度传感器的压力传感结构在复杂外界环境下的测量精度;为了防止应力层在极限工作状态下因应力过大而破裂，本湿度传感器在应力层下方设有单晶硅构成的固体支撑结构，为应力层在极限工作条件下提供保护，使本湿度传感器的测量范围和使用场合都得到扩展；另外，该传感器采用四点电阻测量方法以及信号的放大、滤波调理电路，可得到较为精准的信号，削弱噪声等外界因素对检测结果的影响，可以达到高精度、稳定测量的效果。采用4个数据采集器获取数据后再取平均值可以提高系统的测量精度和稳定性。本发明提供的湿度传感器的温漂修正方法可以有效提高检测的准确度，避免温度对湿度测量产生的影响。
【附图说明】
[0020]图1本发明之数据采集器结构示意图；
[0021 ]图2本发明之型巨压阻结构的结构示意图；
[0022]图3本发明之整体结构示意图；
[0023]图4本发明之放大滤波电路图；
[0024]图5本发明之湿度传感器工作流程示意图；
[0025]图6本发明之湿度传感器温漂修正方法示意图。
[0026]其中:I基底;2检测区；3应力增强结构;4应力层;5π型巨压阻结构;6共模信号补偿结构;7固体支撑结构;8硅结构区;9锗结构区；10钛结构区；11金结构区；12硅-锗异质结；13金-硅-锗异质结；14加热装置；15温度传感器;16电位测量点；17数据采集器;18数据转换集成层；19过滤网。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0028]如图1-5所示，本发明提供一种基于型巨压阻结构的湿度传感器，包括4个数据采集器17、数据转换集成层18和过滤网19，4个所述数据采集器17分两排分布在数据转换集成层18上，所述过滤网19置于所述数据采集器17的检测区2上，所述数据转换集成层18包括四点电阻测量电路、CS1180模数转换器、STM32F407单片机和TFT真彩液晶显示屏;4个数据采集器将采集到的数据通过四点电阻测量电路量电路传输给CS1180模数转换器，CS1180模数转换器转换后输出至STM32F407单片机，由STM32F407单片机发送至TFT真彩液晶显示屏，在TFT真彩液晶显示屏上显示；
[0029]所述数据采集器17包括基底1、应力层4、检测区2和型巨压阻结构5，所述应力层4置于所述基底I上，所述检测区2和型巨压阻结构5分布在所述应力层4上，其中，检测区2置于所述应力层4的中心，型巨压阻结构5为两个，分别为Cl，C2，分布置于所述检测区2的两侧且位于所述应力层4边缘处，两个所述型巨压阻结构5通过金属铝材质的连接线串联，并由一个恒流源供电，恒流源在提供稳定电流的同时减少因电源不同造成的测量误差;所述型巨压阻结构5包括硅结构区8、锗结构区9和金结构区11，其中硅结构区8为两段，分布置于所述锗结构区9的两端，所述金结构区11置于所述硅结构区8、锗结构区9的同一侧，且所述金结构区11的长度等于两段硅结构区8和锗结构区9的长度之和，所述硅结构区8和所述锗结构区9的交界处为硅-锗异质结12，所述金结构区11和所述硅结构区8、锗结构区9的交界处为金-硅-锗异质结13，其中两个硅-锗异质结12相互平行，且与金-硅-锗异质结13垂直，从而形成结构，称为型巨压阻结构5;所述锗结构区9的另一侧设有电位监测点6;所述η型巨压阻结构5的一侧设有温度传感器15，用于实时检测环境温度。
[0030]所述基底I的材质为玻璃，应力层4的材质为二氧化硅，检测区2的材质为聚酰亚胺，能够实现复杂环境下的湿度检测。
[0031]为了防止应力层4在极限工作状态下因压力过大而破裂，所述应力层4与所述基底I之间设有单晶硅材质的固体支撑结构7，为应力层4在极限工作条件下提供保护。所述应力层4和所述固体支撑结构7之间设有加热装置14，所述加热装置为多晶硅电阻丝。
[0032]所述型巨压阻结构5的周围设有U形应力增强结构3;所述应力增强结构3为采用RIE刻蚀技术刻蚀在应力层上的槽状结构，应力更加集中，使应力变化产生的形变更加明显。
[0033]所述数据采集器17还包括两个尺寸、组成材料均与型巨压阻结构相同的共模信号补偿结构6，分别为C3，C4，两个所述共模信号补偿结构6所述检测区2的两端且位于所述应力层4边缘处，与两个所述型巨压阻结构5形成方形结构，所述共模信号补偿结构6与所述型巨压阻结构5通过金属铝材质的连接线串联，并由同一个恒流源供电。
[0034]试验表明，JT型巨压阻结构5的尺寸极大地影响了巨压阻结构的压阻与应变系数，本发明中，所述娃-锗异质结的尺寸为(60-70)μηι*5μηι*(50-150)nm，金-娃-锗异质结的尺寸为(60-70)ym*(35-50)ym*(50-150)nmo
[0035]所述金结构区11与所述硅结构区8、锗结构区9之间设有钛结构区10，用于固定金结构区11，所述钛结构区1的长度与所述金结构区11的长度相等。
[0036]所述四点电阻测量电路与所述的CS1180模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路;所述放大滤波电路包括由电阻Rl、R2、R3、R4与放大器AD620构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容Cl、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器。
[0037]本发明提供的数据采集器17的工作原理:湿度检测区表面覆盖一层过滤网19，将周围环境中除水分以外的其他杂质颗粒过滤，只对空气中水分进行吸收，吸收空气中的水分后型巨压阻结构5质量发生改变并产生应力，应力通过应力增强结构进行增强，增强后的应力进一步导致型巨压阻结构5表面尤其是其根部区域产生较大应力，该应力导致31型巨压阻结构5的硅-锗异质结12和金-硅-锗异质结13产生巨压阻效应，即增强后的应力调整了硅-锗异质结12和金-硅-锗异质结13的势皇高度，使电子通过的数量发生巨大改变，从而使电阻发生数量级的巨变。相对于传统湿度传感器通过电阻电容变化来检测湿度变化，本湿度传感器先通过将湿度变化转变为应力变化，然后通过应力增强并采用在相同应力条件下能够产生更为明显电阻阻值变化的型巨压阻结构，从而本发明从传感结构上显著提高了湿度传感器的灵敏度，拓宽了其量程范围。
[0038]实施例
[0039]传统的体硅压阻结构的应变灵敏度系数一般在50-100之间，且易受环境温度的影响。为了说明本发明提供的湿度传感器的技术效果，采用四点弯曲测试装置在-20-60度温度范围内对本发明提出的型巨压阻结构的应变灵敏度系数进行了测量，测试结果表明^型巨压阻结构的应变灵敏度系数可以达到1000以上，同时，考察了硅-锗异质结和金-硅-锗异质结尺寸的变化对应变灵敏度系数的影响，当硅-锗异质结长度为5μπι时，应变灵敏度系数数量级巨变，可以达到3000。另外，温度对型巨压阻结构的应变灵敏度影响也比较显著，温漂误差达到了 3%FS-5%FS。
[0040]由于湿度测量所处的环境复杂，环境温度不是恒定不变的，并且湿度传感器是由半导体材料制作的，所以极易受到温度的影响。考虑到环境温度会对传感器湿度测量带来不小的误差，因此，本发明提供了一种基于η型巨压阻结构的湿度传感器的温漂修正方法，该方法为:STM32F407单片机利用二次曲面拟合函数版稚=f (V，T)对温漂的影响进行实时补偿修正，所述二次曲面拟合函数《_=f(V，T)的获得方法包括以下步骤:
[0041]步骤一，将湿度传感器放入恒温恒湿试验箱内，确定温度T= 20度时的湿度作为标准湿度版稚，然后调节试验箱内的温度，调节范围为-20-60度，步长为10度，得到不同温度下湿度传感器的输出电压值V(T);
[0042]步骤二，改变标准湿度版稚，重复步骤一，得到不同温度和不同湿度下的湿度传感器的输出电压值V(!fe稚，Τ)，将湿度传感器的输出电压值V和温度值T作为待构建的标准湿度曲面方程ft^=(V，T)的输入变量，因此在分析湿度时可以兼顾温度因素的影响；
[0043]步骤三，如图6所示，利用上述实验测量的用于构建版稚=…，!')曲面方程的离散数据进行二次曲面拟合，并采用最小二乘方法确定二次曲面拟合函数版稚=f (V，T)中自变量V和T的系数，从而确定二次曲面拟合函数版稚=f(V，T)。采用最小二乘方法确定二次曲面拟合函数的系数，可以使采用二次曲面拟合函数ft^=f(V，T)计算的湿度值和标准湿度值版稚之间的误差最小。
[0044]该二次曲面拟合函数版稚=f(V，T)是传感器的被测湿度、环境温度和输出电压之间的曲面拟合数学预测模型，在获取了传感器输出电压和环境温度后可方便地计算出被测湿度值。该二次曲面拟合函数ft^=f(V，T)包含了温度T，通过建立温度和湿度之间的非线性映射关系去除温漂影响，实现温度补偿。将该二次曲面拟合函数移植到STM32单片机可以进行实时温度漂移补偿修正。
[0045]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.基于π型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:包括4个数据采集器、数据转换集成层和过滤网，4个所述数据采集器分两排分布在数据转换集成层上，所述过滤网置于所述数据采集器的检测区上，所述数据转换集成层包括四点电阻测量电路、CS1180模数转换器、STM32F407单片机和TFT真彩液晶显示屏;4个数据采集器将采集到的数据通过四点电阻测量电路量电路传输给CS1180模数转换器，CS1180模数转换器转换后输出至STM32F407单片机，由STM32F407单片机发送至TFT真彩液晶显示屏，在TFT真彩液晶显示屏上显示； 所述数据采集器包括基底、应力层、检测区和η型巨压阻结构，所述应力层置于所述基底上，所述检测区和型巨压阻结构分布在所述应力层上，其中，检测区置于所述应力层的中心，型巨压阻结构为两个，分布置于所述检测区的两侧且位于所述应力层边缘处，两个所述型巨压阻结构通过金属铝材质的连接线串联，并由一个恒流源供电；所述型巨压阻结构包括硅结构区、锗结构区和金结构区，其中硅结构区为两段，分布置于所述锗结构区的两端，所述金结构区置于所述硅结构区、锗结构区的同一侧，且所述金结构区的长度等于两段硅结构区和锗结构区的长度之和，所述硅结构区和所述锗结构区的交界处为硅-锗异质结，所述金结构区和所述硅结构区、锗结构区的交界处为金-硅-锗异质结;所述锗结构区的另一侧设有电位监测点;所述η型巨压阻结构的一侧设有温度传感器，用于实时检测环境温度。2.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述应力层与所述基底之间设有单晶硅材质的固体支撑结构，用于防止应力层因压力过大而破裂。3.根据权利要求2所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述应力层和所述固体支撑结构之间设有加热装置，所述加热装置为多晶硅电阻丝。4.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述数据采集器还包括两个尺寸、组成材料均与型巨压阻结构相同的共模信号补偿结构，两个所述共模信号补偿结构所述检测区的两端且位于所述应力层边缘处，与两个所述η型巨压阻结构形成方形结构，所述共模信号补偿结构与所述η型巨压阻结构通过金属铝材质的连接线串联，并由同一个恒流源供电。5.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述型巨压阻结构的周围设有U形应力增强结构;所述应力增强结构为采用RIE刻蚀技术刻蚀在应力层上的槽状结构。6.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述基底的材质为玻璃，应力层的材质为二氧化硅，检测区的材质为聚酰亚胺。7.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述四点电阻测量电路与所述的CS1180模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路；所述放大滤波电路包括由电阻Rl、R2、R3、R4与放大器AD620构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容Cl、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器。8.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述硅-锗异质结的尺寸为(60-70)ym*5ym*(50-150)nm，金-硅-锗异质结的尺寸为(60-70)μπι*(35-50)μm*(50_150)nmo9.根据权利要求1所述的基于型巨压阻结构的湿度传感器，其特征在于:所述金结构区与所述硅结构区、锗结构区之间设有钛结构区，用于固定金结构区，所述钛结构区的长度与所述金结构区的长度相等。10.根据权利要求1-9任一项所述的基于31型巨压阻结构的湿度传感器的温漂修正方法，其特征在于:STM32F407单片机利用二次曲面拟合函数版稚=f(V，T)对温漂的影响进行实时补偿修正，所述二次曲面拟合函数《_=f(V，T)的获得方法包括以下步骤: 步骤一，将湿度传感器放入恒温恒湿试验箱内，确定温度T = 20度时的湿度作为标准湿度版稚，然后调节试验箱内的温度，调节范围为-20-60度，步长为10度，得到不同温度下湿度传感器的输出电压值V(T)； 步骤二，改变标准湿度版雅，重复步骤一，得到不同温度和不同湿度下的湿度传感器的输出电压值v(!fe稚，T)，将湿度传感器的输出电压值V和温度值T作为待构建的标准湿度曲面方程ft^=(V，T)的输入变量，因此在分析湿度时可以兼顾温度因素的影响； 步骤三，利用上述实验测量的用于构建曲面方程itef=(V，T)的离散数据进行二次曲面拟合，并采用最小二乘方法确定二次曲面拟合函数版稚=f (V，T)中自变量V和T的系数，从而确定二次曲面拟合函数Hts稚=f (V，T)。
【文档编号】G01N27/04GK105928989SQ201610567744
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】张加宏, 沈雷, 刘进, 冒晓莉, 顾芳
【申请人】南京信息工程大学