一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器及其使用方法

本发明涉及传感器的，尤其涉及一种基于折纸结构的集成式的温湿度传感器及其使用方法。

背景技术：

1、温湿度集成式传感器与人们的日常生活密切相关，并且在军事导航、生物医疗、环境监测、智能交通、智慧农业等多个领域占据了重要的地位，这主要源于这种温湿度集成式传感器的多功能监测、价格低廉、易于片上集成等优势。然而，目前的温湿度集成式传感器大多采取堆叠式的集成策略及分立式的输出端口，并且难与微加工工艺兼容，这使得传感器的集成化更具挑战性并且增加了传感信息的收集难度；除此之外，外部布线对于集成式传感器信号传输的影响同样不可忽略。随着科学技术的不断进步，人们对温湿度传感器的信息传输方式及集成化策略提出了更高的要求，因此，开发一种具有简易的集成方式以及单端口输出并且具有较高工艺兼容度的无源无线温湿度集成式传感器具有重要的研究意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线无源的基于折纸结构的温湿度集成式传感器及其使用方法，以解决目前温湿度集成式传感器集成策略复杂、多端口输出、工艺兼容度差等问题。本发明中采用折纸式梁结构与叉指电容式湿度传感结构相集成的方式，依靠不同温度条件下折纸式梁结构弯曲使得若干触头电极与接触电极相接触后感应电容的变化引起谐振频率的大幅跳变及不同湿度环境下叉指电容的变化导致谐振频率在温度跳变点附近的细微偏移反映温湿度传感信息，实现了无源无线多参数传感信息的检测。这种方式使得基于折纸结构的温湿度集成式传感器具有多参数传感、结构简单、无源无线、单端口输出、工艺兼容度高等特点。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，所述基于折纸结构的温湿度集成式传感器包括：无线传输结构、热驱动梁结构、折纸式梁结构、叉指电容式湿度传感结构，第三连接线，衬底。其中，无线传输结构、热驱动梁结构、折纸式梁结构、叉指电容式湿度传感结构、第三连接线分别放置于衬底上并构成lc谐振电路。

3、其中，所述的无线传输结构包括电感线圈，接收线圈，第一连接线，第二连接线。所述的热驱动梁结构包括第一热驱动梁固定点，第二热驱动梁固定点，第三热驱动梁固定点，第四热驱动梁固定点；第一热驱动梁，第二热驱动梁，第三热驱动梁,第四热驱动梁。

4、一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，所述的第一折叠节点、第二折叠节点、第三折叠节点、第四折叠节点、第五折叠节点、第六折叠节点、第七折叠节点、第八折叠节点、第九折叠节点、第十折叠节点、第十一折叠节点、第十二折叠节点、第一触头电极、第二触头电极、第三触头电极、折纸式梁组成折纸式梁结构；其中，第一触头电极、第二触头电极、第三触头电极位于折纸式梁的侧面。

5、一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，所述的叉指电容式湿度传感结构包括第一金属接触电极，第二金属接触电极，第三金属接触电极；第一金属指状电极，第二金属指状电极，第三金属指状电极；氧化石墨烯薄膜；第四金属指状电极，第五金属指状电极，第六金属指状电极，第七金属指状电极，金属电极。其中，第一金属接触电极与第一金属指状电极相连接，第二金属接触电极与第二金属指状电极相连接，第三金属接触电极与第三金属指状电极相连接；第一金属指状电极、第二金属指状电极、第三金属指状电极与第四金属指状电极、第五金属指状电极、第六金属指状电极、第七金属指状电极平行放置形成叉指电容；氧化石墨烯薄膜涂覆于叉指电容的表面；第四金属指状电极、第五金属指状电极、第六金属指状电极、第七金属指状电极的一端分别与金属电极的侧面相连接。

6、一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，电感线圈的一端通过第一连接线与第一热驱动梁固定点的一端相连接，电感线圈的另一端通过第二连接线与金属电极的一端相连接。第一热驱动梁固定点的另一端与第一热驱动梁的一端相连接，第二热驱动梁固定点与第二热驱动梁的一端相连接，第一热驱动梁与第二热驱动梁的另一端同时与折纸式梁的一端相连接，折纸式梁的另一端同时与第三热驱动梁和第四热驱动梁的一端相连接，第三热驱动梁的另一端与第三热驱动梁固定点的一端相连接，第四热驱动梁的另一端与第四热驱动梁固定点的一端相连接，第三热驱动梁固定点的另一端通过连接线与金属电极的另一端相连接。通过环境温度的改变，折纸式梁结构弯曲导致若干触头电极与接触电极依次接触，若干触头电极与接触电极依次接触引起感应电容的变化进而导致谐振频率的大幅跳变；随着环境湿度的改变，氧化石墨烯薄膜的介电常数发生变化进而引起叉指电容细微的变化，从而导致谐振频率在温度跳变点附近产生细微偏移。谐振频率的变化通过电感线圈以无源无线的方式由接收线圈读出，实现温湿度传感器的同时测量。

7、有益效果：

8、本发明是一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，具有以下优点：本发明所述的基于折纸结构的温湿度集成式传感器，采用折纸式梁结构与叉指电容式湿度传感结构相集成的方式，依靠不同温度条件下折纸式梁结构弯曲使得若干触头电极与接触电极相接触后感应电容的跳变引起谐振频率的大幅跳变及不同湿度环境下叉指电容的变化导致谐振频率在温度跳变点附近的细微偏移反映温湿度传感信息，实现了无源无线多参数传感信息的检测。这种基于折纸结构的温湿度集成式传感器具有多参数传感、无线单端口输出、工艺兼容度高的特点，采用折纸式梁结构与叉指电容式湿度传感结构相集成的方式具有结构简单的优势。

技术特征：

1.一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，其特征在于，所述基于折纸结构的温湿度集成式传感器包括：无线传输结构、热驱动梁结构、折纸式梁结构、叉指电容式湿度传感结构，第三连接线(11)以及衬底(12)，其中，无线传输结构、热驱动梁结构、折纸式梁结构、叉指电容式湿度传感结构、第三连接线(11)分别放置于衬底上并构成lc谐振电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，其特征在于，所述的无线传输结构包括电感线圈(1a)，接收线圈(1b)，第一连接线(c1)以及第二连接线(c2)；

3.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，其特征在于，第一折叠节点(41)、第二折叠节点(42)、第三折叠节点(43)、第四折叠节点(44)、第五折叠节点(45)、第六折叠节点(46)、第七折叠节点(47)、第八折叠节点(48)、第九折叠节点(49)、第十折叠节点(50)、第十一折叠节点(51)、第十二折叠节点(52)、第一触头电极(5a)、第二触头电极(5b)、第三触头电极(5c)、折纸式梁(6)共同组成折纸式梁结构；其中第一触头电极(5a)、第二触头电极(5b)、第三触头电极(5c)的一端分别与折纸式梁(6)的侧面相连接；第一折叠节点(41)、第二折叠节点(42)、第三折叠节点(43)、第四折叠节点(44)、第五折叠节点(45)、第六折叠节点(46)、第七折叠节点(47)、第八折叠节点(48)、第九折叠节点(49)、第十折叠节点(50)、第十一折叠节点(51)、第十二折叠节点(52)分别位于折纸式梁(6)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器，其特征在于，所述的叉指电容式湿度传感结构包括第一金属接触电极(7a)，第二金属接触电极(7b)，第三金属接触电极(7c)；第一金属指状电极(8a)，第二金属指状电极(8b)，第三金属指状电极(8c)；氧化石墨烯薄膜(9)；第四金属指状电极(10a)，第五金属指状电极(10b)，第六金属指状电极(10c)，第七金属指状电极(10d)，金属电极(10e)，其中，第一金属接触电极(7a)与第一金属指状电极(8a)相连接，第二金属接触电极(7b)与第二金属指状电极(8b)相连接，第三金属接触电极(7c)与第三金属指状电极(8c)相连接；第一金属指状电极(8a)、第二金属指状电极(8b)、第三金属指状电极(8c)与第四金属指状电极(10a)、第五金属指状电极(10b)、第六金属指状电极(10c)、第七金属指状电极(10d)平行放置形成叉指电容；氧化石墨烯薄膜(9)涂覆于叉指电容的表面；第四金属指状电极(10a)、第五金属指状电极(10b)、第六金属指状电极(10c)、第七金属指状电极(10d)的一端分别与金属电极(10e)的侧面相连接。

5.一种基于折纸结构的温湿度集成式传感器的使用方法，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项所述的传感器，通过环境温度的改变，折纸式梁结构(6)弯曲导致若干触头电极与触头电极依次接触，若干触头电极与接触电极依次接触引起感应电容的变化进而导致谐振频率的大幅跳变；随着环境湿度的改变，氧化石墨烯薄膜(9)的介电常数发生变化进而引起叉指电容细微的变化，从而导致谐振频率在温度跳变点附近产生细微偏移，谐振频率的变化通过电感线圈(1a)以无源无线的方式由接收线圈(1b)读出，实现温湿度传感器的同时测量。

技术总结
本发明公开了一种基于折纸结构的温湿度集成传感器，包括无线传输结构、热驱动梁结构、折纸式梁结构、叉指电容式湿度传感结构。当环境温度高于若干设定的温度点时，折纸式梁结构弯曲导致若干触头电极与接触电极相接触，通过叉指电容式湿度传感结构与无线传输结构形成LC谐振电路，触头电极与接触电极的依次接触引起感应电容的变化，导致谐振频率的大幅跳变；当环境湿度改变时，叉指电容式湿度传感结构中薄膜材料的介电常数变化导致叉指电容产生细微的变化，从而导致谐振频率在温度跳变点附近发生细微偏移；通过电磁耦合以无源无线的方式收集温湿度谐振频率传感信息，实现温湿度传感器的同时测量，该方案具有多参数传感、无源无线、结构简单的优势。

技术研发人员：韩磊,王凯,高初缘,潘宇瑭
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12