一种温湿度多模态传感器及其温湿度测量方法

1.本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种温湿度多模态传感器及其温湿度测量方法。


背景技术：

2.温度和湿度作为重要的物理量，与人类生活和国民生产息息相关。在人们的生活中，很多常见健康问题都与温度和湿度有着紧密的联系，人们所处环境气温的高低是直接影响人体健康的关键因素，人体所处境湿度也与许多皮肤、呼吸道疾病相关，对温湿度精准监测并保证适当的环境温湿度才能避免疾病的产生。此外，在例如电路印制、纺织业、食品加工等工业生产方面以及农业、畜牧业方面，精准有效的对环境温湿度进行监测与控制也是具有重要意义的。而传感器使电子设备成为数字世界和物理世界之间的大门，将温度湿度以数字的形式直观的展现出来。
3.在现有技术中，常见的温湿度传感器多是将两种不同的敏感元件通过电路连接集成在一起，能同时达到对温度和湿度的监测。随着技术的发展与进步，它们很多已经达到对传感器可靠性高灵敏度高的要求。但由于传统的温湿度传感器要通过电路将不同敏感元件集成在一起，这就增加了传感器的尺寸，而且其结构较为复杂，加工工艺较为繁琐，也增加了设计的复杂度与生产成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种温湿度多模态传感器及其温湿度测量方法，实现测量温度和湿度的同时，减小传感器的尺寸，降低成本。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种温湿度多模态传感器，所述温湿度多模态传感器包括：从上到下依次设置的温湿敏二维材料薄膜层、电极薄膜层和衬底；所述温湿敏二维材料薄膜层的电容的大小不随温度的变化而变化；
7.所述电极薄膜层用于输出所述温湿敏二维材料薄膜层的电路参数；所述电路参数包括电容和电阻；所述电路参数用于确定所述温湿度多模态传感器所处的待检测环境的温度和湿度。
8.可选地，所述温湿敏薄膜层的材料包括：氧化石墨烯和mxene中的至少一者。
9.可选地，所述电极薄膜层的材料包括：金、铂、银和钨中的至少一者。
10.可选地，所述衬底的材料包括：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、硅片和陶瓷中的至少一者。
11.一种温湿度测量方法，利用上述所述的温湿度多模态传感器实现，所述方法包括：
12.获取温湿敏二维材料薄膜层的电路参数；所述电路参数包括电容和电阻；
13.根据所述电容和电容湿度关系确定所述温湿度多模态传感器所处的待测环境的湿度；
14.根据所述电阻、所述湿度和所述温湿度多模态传感器的传感器参数确定所述待测环境的温度。
15.可选地，在根据所述电阻、所述湿度和所述温湿度多模态传感器的传感器参数确定所述待测环境的温度之前，还包括：
16.确定所述温湿度多模态传感器的传感器参数；所述传感器参数包括：温度系数、湿度系数、参考温度、参考湿度和参考电阻；所述温度系数和所述湿度系数均为常数，所述参考温度和所述参考湿度均为预设值；所述参考电阻为在所述参考温度和所述参考湿度下的电阻。
17.可选地，所述温度的计算公式为：
[0018][0019]
其中，t为所述温度，α为所述温度系数，β为所述湿度系数，t0为所述参考温度，h为所述待测环境的湿度，h0为所述参考湿度，r0为参考电阻。
[0020]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0021]
本发明公开了一种温湿度多模态传感器及其温湿度测量方法，温湿度多模态传感器包括：从上到下依次设置的温湿敏二维材料薄膜层、电极薄膜层和衬底；温湿敏二维材料薄膜层的电容的大小不随温度的变化而变化；电极薄膜层用于输出温湿敏二维材料薄膜层的电路参数；电路参数包括电容和电阻；电路参数用于确定温湿度多模态传感器所处的待检测环境的温度和湿度。本发明只需使用电容的大小不随温度的变化而变化的温湿敏二维材料薄膜层，无需利用两种不同的敏感元件，在实现测量温度和湿度的同时，减小了传感器的尺寸，降低了成本。
[0022]
附图说
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明实施例1提供的温湿度多模态传感器的结构示意图；
[0025]
图2为本发明实施例1提供的温湿度多模态传感器的俯视图；
[0026]
图3为本发明实施例1提供的温湿度多模态传感器的侧视图；
[0027]
图4为本发明实施例1提供的温湿度多模态传感器的剖面图；
[0028]
图5为本发明实施例2提供的一种温湿度测量方法的流程示意图；
[0029]
图6为湿度不变，温度增大时的温湿度多模态传感器的阻抗bode(伯德)图；
[0030]
图7为温度不变，湿度增大时的温湿度多模态传感器的阻抗bode(伯德)图；
[0031]
图8为温湿度多模态传感器的等效电路图；
[0032]
图9为温湿度多模态传感器的电阻、电容与温度的关系图。
[0033]
附图说明：1-温湿敏二维材料薄膜层，2-电极薄膜层，3-衬底。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
本发明的目的是提供一种温湿度多模态传感器及其温湿度测量方法，旨在实现测量温度和湿度的同时，减小传感器的尺寸，降低成本，可应用于传感器技术领域。
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0037]
实施例1
[0038]
如图1-图4所示，本实施例中的温湿度多模态传感器，温湿度多模态传感器包括：从上到下依次设置的温湿敏二维材料薄膜层1、电极薄膜层2和衬底3；温湿敏二维材料薄膜层1的电容的大小不随温度的变化而变化。
[0039]
电极薄膜层2用于输出温湿敏二维材料薄膜层1的电路参数；电路参数包括电容和电阻；电路参数用于确定温湿度多模态传感器所处的待检测环境的温度和湿度。
[0040]
具体的，电极薄膜层2的形状可根据实际需求设置，包括但不限于叉指形状，该形状包括有间距交错设置的对称的两部分，每一部分均梳子状，梳子的齿的部分交错。
[0041]
衬底3用于支撑温湿敏二维材料薄膜层1和电极薄膜层2。
[0042]
作为一种可选的实施方式，温湿敏薄膜层的材料包括：氧化石墨烯和mxene中的至少一者。
[0043]
作为一种可选的实施方式，电极薄膜层2的材料包括：金、铂、银和钨中的至少一者。
[0044]
作为一种可选的实施方式，衬底3的材料包括：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、硅片和陶瓷中的至少一者。
[0045]
实施例2
[0046]
图5为本发明实施例2提供的一种温湿度测量方法的流程示意图。如图5所示，本实施例中的温湿度测量方法，利用如实施例1中的温湿度多模态传感器实现，方法包括：
[0047]
步骤101：获取温湿敏二维材料薄膜层的电路参数；电路参数包括电容和电阻。
[0048]
步骤102：根据电容和电容湿度关系确定温湿度多模态传感器所处的待测环境的湿度。
[0049]
具体的，电容湿度关系表明电容和湿度是一一对应的关系。且电容与湿度的对应关系不是计算出来的，是温湿度多模态传感器在使用前标定出来的，然后通过数值拟合获得经验数学表达式。
[0050]
步骤103：根据电阻、湿度和温湿度多模态传感器的传感器参数确定待测环境的温度。
[0051]
作为一种可选的实施方式，在步骤103之前，还包括：
[0052]
确定温湿度多模态传感器的传感器参数；传感器参数包括：温度系数、湿度系数、参考温度、参考湿度和参考电阻；温度系数和湿度系数均为常数，参考温度和参考湿度均为预设值；参考电阻为在参考温度和参考湿度下的电阻。
[0053]
作为一种可选的实施方式，温度的计算公式为：
[0054][0055]
其中，t为温度，α为温度系数，β为湿度系数，t0为参考温度，h为待测环境的湿度，h0为参考湿度，r0为参考电阻。
[0056]
具体实例：
[0057]
利用以氧化石墨烯为材料制作的温湿度多模态传感器测量温湿度的工作原理如下：
[0058]
s1：如图6-图7所示，分别采集1
×
102hz(f1)、1
×
106hz(f2)两个频率点的阻抗值。不是必须采集这两个点，根据bode图，分别在低频平坦区和高频斜线区各选择一个点，但是尽可能选择低频区域低频点和高频区域的高频点即可。不同湿度和不同温度条件下传感器的bode图的平坦区域和斜线区域会整体微小偏移，选择的低频率点和高频率点要保证在所有偏移曲线上分别一直处于平坦和斜线区即可。
[0059]
具体的，通过分别测量温湿度多模态传感器的1
×
102hz(f1)、1
×
106hz(f2)频率点的阻抗，可近似得到如图8所示的温湿度多模态传感器的等效电路中的等效电阻r≈|z|和等效电容c≈1/(2
×
106π|z|)。根据阻抗的定义和公式，频率越低越近似为电阻，频率越高越可近似为电容。在bode图中，近似为等效电阻的合适频率范围即是平坦区，近似为等效电容的合适频率范围即为斜线区。
[0060]
对于rc并联电路中电阻和电容，分别可用阻抗bode图(在传感器真正使用前，需要对传感器的关键参数进行标定。需要在一系列已知温度和湿度条件下测量，以获得相应的bode图，并选定在所有传感范围内分别一直处于平坦区的低频点和一直处于斜线区的高频点)中低频平坦区域的阻抗(r＝z
re
≈|z|)和高频斜线区域的阻抗(电容c＝1/2πf2z
im
≈1/2πf2|z|，f1和f2分别为低频平坦和高频斜线区域的频率)近似。因此，只要测得低频平坦和高频斜线区域各一个频率点的阻抗，就可以分别得到电阻值和电容值，从而依次求得湿度和温度，最终实现温度与湿度的测量。
[0061]
当湿度不变时，随着温度的升高，传感器的阻抗-频率曲线会向下并向高频移动，这时平坦区域代表的电阻会减小，而对于斜线区域的电容值，曲线上的f点将移动到f'点，此时移动前后曲线上f2点电容值几乎不变；当保持温度不变时，随着湿度的增加，传感器的阻抗-频率曲线将只向下移动，传感器的电阻不仅减小，而且电容也将增大。该原理即可得如图9所示的不同温度下电容与电阻结果。因此，随着测试条件的变化，虽然bode图的曲线平坦区和斜线区会发生移动，但只要选择的低频率点f1和高频率点f2分别一直处于平坦区和斜线区即可。
[0062]
s2：由s1测算出的电容c计算湿度h。
[0063]
具体的，如图8所示，温湿敏二维材料薄膜层的电行为可以用等效电路模型来解释，即可以将传感器等效为rc并联电路。在rc并联电路中，电容c＝εs/d，电阻r＝lρ/a，其中，ε为介电常数，s为电容极板正对面积，d为极板间距离，ρ为电阻率，l为电阻长度，a为电阻横截面积。
[0064]
通常，随着温度、湿度的变化，介电常数ε和电阻率ρ都会发生变化。其中，以氧化石
墨烯为例，随着温度的变化，我们测得它的电阻率ρ的变化远大于介电常数ε的变化(如图9所示)，所以近似地可以认为电容对温度不敏感，只通过测量电容就可以测量湿度。
[0065]
由于随着温度的变化，电阻率ρ的变化远大于介电常数ε的变化，所以近似地可以看作电容对温度不敏感，因此可以通过测电容来测量湿度(电容与湿度的对应关系不是计算出来的，是传感器在使用前标定出来的，然后通过数值拟合获得经验数学表达式。由于每个传感器制造中会稍有差别，拟合的数学表达式形式和参数也会稍有区别。它的传感机理通常认为是：水分子与氧化石墨烯的分子基团容易结合，会改变氧化石墨烯的介电常数，从而改变整个传感器的电容值)；
[0066]
s3：由s1测算出的电阻r和s2计算出的湿度h得到温度t。
[0067]
具体的，将温度系数α、湿度系数β、参考温度t0、参考湿度h0、参考温度和参考湿度条件下的电阻r0以及由s1测算出的电阻r和s2计算出的湿度h带入公式中，即可求得温度t。
[0068]
其中，α为温度系数，β为湿度系数，可分别由log
10
r与温度、log
10
r与湿度的关系图中的斜率测得(传感器制作完成后，需要分别恒定湿度而改变温度和恒定温度而改变湿度进行测试和标定电阻与温度和湿度的关系，依据测试出的数据进行拟合求得每个特定传感器的固有参数α、β)。t0为参考温度，h0为参考湿度(可以人为设定，但一般选为测量温度范围内的最低温度点)，r0为在参考温度和参考湿度条件下测得的电阻。
[0069]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0070]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。