一种集成加热控制及超声振动的硅基电容式湿度传感器制造技术

一种集成加热控制及超声振动的硅基电容式湿度传感器，其中该传感器包括从下至上依次布置的以下部件：第一绝缘层和设置在该第一绝缘层上的压电陶瓷；第二绝缘层和设置在该第二绝缘层上的加热电阻；保护层和设置在该保护层上的电容电极和敏感结构温度传感器；和覆盖在所述电容电极上的感湿薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种集成加热控制及超声振动的硅基电容式湿度传感器
本专利技术涉及一种湿度测量装置，具体涉及一种集成加热控制及超声振动的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)电容式湿度传感器，属于传感

技术介绍
在气象探测、农业生产、工业控制、医疗监控、食品储存等领域，湿度检测具有广泛的需求。目前，湿度的检测主要通过电容式或电阻式湿度传感器实现，电容式湿度传感器以感湿薄膜作为电容的介质材料，当水分子吸附到感湿薄膜上时，电容的介电常数发生变化，导致电容变化，通过此机理进行湿度测量。电容式湿度传感器具有成本低、功耗低、灵敏度高、响应速度快、湿度回滞量小、产品互换性好和易于实现小型化、集成化制造等优点，应用最为广阔。电容式湿度传感器根据极板的布局主要分为三明治结构和叉指结构，其中三明治结构的极板相互正对着，感湿薄膜处于两极板中间。叉指结构的极板处于同一平面，感湿薄膜均匀涂于极板表面。2018年，Hassana等设计了三明治电容式湿度传感器，采用多孔上极板结构，有限元仿真表明实现湿度传感器在0-100％RH测量范围内的灵敏度达到22pF/％RH。(AbdurrashidShuaibuHassana,VimalaJulieta,C.JoshuaAmrithRaj.MEMSbasedhumiditysensorwithintegrationoftemperaturesensor[J].MaterialsToday:Proceedings,2018,5(4):10728-10737)。2011年，Cheng-LongZhao设计了叉指电容结构电容式湿度传感器，当湿敏材料聚酰亚胺厚度为1.7um时灵敏度是0.85fF％RH。(ChenglongZhao,MingQin,QinganHuang.AfullypackagedCMOSinterdigitalcapacitivehumiditysensorwithpolysiliconheaters[J].IEEESensorsJournal,2011,11(11):2986-2993)。传感器在测量过程中，当环境温度高于传感器温度时，会出现冷凝结露现象，极大降低传感器测量精度，影响响应速度，通常通过加热的方式可以解决冷凝结露问题。2018年，LuoYi等人设计了带有蛇形加热器的三明治电容式湿度传感器，上极板采用多孔结构，传感器灵敏度为2.3RH％/pF，重复性约1.9％，在30℃环境温度下，湿度从30％RH到70％RH的上升响应时间约0.5s(稳定信号的63％)。(LuoYi,YangKun,ShiYunbo,etal.Researchofradiosondehumiditysensorwithtemperaturecompensationfunctionandexperimentalverification[J].SensorsandActuatorsA:Physical,2014,218:49-59)。现场长期使用后，敏感材料上会附着各种大小的杂质颗粒，影响传感器测量性能。2011年，Cheng-LongZhao设计的传感器通过增加透气膜，将污染颗粒阻隔在透气膜外，仅仅只有水分子能够通过，极大降低了污染颗粒对传感器的影响。(ChenglongZhao,MingQin,QinganHuang.AfullypackagedCMOSinterdigitalcapacitivehumiditysensorwithpolysiliconheaters[J].IEEESensorsJournal,2011,11(11):2986-2993)。现有技术的缺点和产生这些缺点的技术原因大致说明如下：(1)在解决传感器的冷凝结露问题时，现有传感器使用开环控制方法向加热电阻施加指定大小的功率，即根据当前环境温度拟合计算出加热功率，使传感器敏感结构温度保持大概恒定。LuoYi将环境温度与加热功率拟合为线性关系，在-70～20℃测量环境下，将传感器温度保持在20℃左右，该方法较好解决了结露问题，在气象探空上得到了验证。但是该方法随着环境温度降低，加热功率逐渐增大，将本就短缺的电池能量消耗在加热上，使得系统工作时间大大缩短，影响系统的易用性；(2)在解决环境对传感器测量性能的影响时，针对附着物问题，Cheng-LongZhao设计的传感器通过增加透气膜的方法杜绝了该问题，但是该方法增加了水分子穿过透气膜的环节，降低了传感器的响应速度，长期使用后，随着透气膜上的附着物积累，会使得水分子透过时间越来越长，导致传感器性能越来越低。
技术实现思路
本专利技术的实施方式针对现有技术的不足，提出了一种集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，在消除冷凝结露问题时降低加热消耗功率，在清除感湿薄膜上的颗粒时加快响应速度，降低环境的影响，提高传感器的环境适应性。根据本专利技术的一个实施方式的一种集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中该传感器包括从下至上依次布置的以下部件：第一绝缘层和设置在该第一绝缘层上的压电陶瓷；第二绝缘层和设置在该第二绝缘层上的加热电阻；保护层和设置在该保护层上的电容电极和敏感结构温度传感器；和覆盖在所述电容电极上的感湿薄膜。在一个可选的实施方式中，所述集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器还可包括设置在所述电容电极外侧的隔热条；和设置在所述隔热条外侧的环境温度传感器。在一个可选的实施方式中，所述集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器还可包括：设置在所述第一绝缘层下方的衬底，该衬底的底部被镂空加工形成凹槽。在一个可选的实施方式中，所述集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器中的所述电容电极为两个交错设置的叉指电容电极。在一个可选的实施方式中，所述集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器中的所述压电陶瓷、所述加热电阻、所述电容电极和所述敏感结构温度传感器的两端各分别设置有焊盘，用于进行焊接固定。在一个可选的实施方式中，所述电容电极和所述敏感结构温度传感器均处于所述加热电阻的覆盖范围内。在一个可选的实施方式中，所述加热电阻为螺旋形加热电阻。在一个可选的实施方式中，所述第一绝缘层和第二绝缘层由二氧化硅材料制成。在一个可选的实施方式中，所述感湿薄膜由聚酰亚胺材料制成。在一个可选的实施方式中，所述传感器还可包括PID控制器，用于使用所述环境温度传感器测量的环境温度进行目标温度可变的变参数PID温度控制来对所述传感器的温度进行闭环控制。在一个可选的实施方式中，所述PID控制器进行目标温度可变的变参数PID温度控制过程中，被调节的所述传感器的目标温度随环境温度的变化而改变。在一个可选的实施方式中，所述传感器还包括可操作地连接至所述压电陶瓷的DDS驱动器，以通过DDS技术产生变频变幅的不同波形的信号驱动所述压电陶瓷产生超声振动。本专利技术的一个实施方式提供的一种新型的MEMS湿度传感器结构，集成了湿度测量、加热控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中该传感器包括从下至上依次布置的以下部件：/n第一绝缘层和设置在该第一绝缘层上的压电陶瓷；/n第二绝缘层和设置在该第二绝缘层上的加热电阻；/n保护层和设置在该保护层上的电容电极和敏感结构温度传感器；和/n覆盖在所述电容电极上的感湿薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中该传感器包括从下至上依次布置的以下部件：
第一绝缘层和设置在该第一绝缘层上的压电陶瓷；
第二绝缘层和设置在该第二绝缘层上的加热电阻；
保护层和设置在该保护层上的电容电极和敏感结构温度传感器；和
覆盖在所述电容电极上的感湿薄膜。


2.如权利要求1所述的集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中该传感器还包括：
设置在所述电容电极外侧的隔热条；和
设置在所述隔热条外侧的环境温度传感器。


3.如权利要求1所述的集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中该传感器还包括：
设置在所述第一绝缘层下方的衬底，该衬底的底部被镂空加工形成凹槽。


4.如权利要求1所述的集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中所述电容电极为两个交错设置的叉指电容电极。


5.如权利要求1所述的集成加热控制及超声振动的MEMS电容式湿度传感器，其中所述压电陶瓷、所述加热电阻、所述电容电极和所述敏感结构温度传感器的两端各分别设置有焊盘，用于进行焊接固定。
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡纯，王帅，李大鹏，郑德智，曹先彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11