用于测量气态介质的湿度的湿度传感器和方法技术

一种湿度传感器（１），在其表面上具有用于湿度膜（５ａ，５ｂ）（５ａ，５ｂ）的容纳区域（４），该湿度膜的层厚度（６ａ，６ｂ）取决于该容纳区域（４）周围环境中的相对湿度，其中该湿度传感器（１）具有信号源，该信号源具有用于产生控制电压的装置，其中该信号源为了向湿度膜（５ａ，５ｂ）施加控制电压而与至少一个与该容纳区域（４）上的至少一个馈入点（１１）邻接的控制电极（１０）连接。该湿度传感器（１）具有至少一个电位传感器，该电位传感器在容纳区域（４）下方具有至少一个与所述至少一个馈入点（１１）分隔的传感器区域（９）。该传感器区域（９）通过介于该传感器区域和容纳区域（４）之间的绝缘层（３）而与容纳区域（４）电绝缘，使得借助该电位传感器能够电容地检测取决于湿度膜（５ａ，５ｂ）的层厚度和控制电压的电位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种湿度传感器，该湿度传感器在表面上具有用于湿度膜(Feuchtefilm )的容纳区域，该湿度膜的层厚度取决于该容纳区 域周围的相对湿度，其中该湿度传感器具有信号源，该信号源为了向 湿度膜施加控制电压而与至少 一个与该容纳区域上的至少 一个馈入 点邻接的控制电极连接。此外，本专利技术涉及一种用于测量气态介质的 湿度的方法，其中在固体上产生湿度膜，该湿度膜的层厚度取决于该 介质中的相对湿度，并且在至少 一个馈入点向该湿度膜施加电位。
技术介绍
这种湿度传感器由P. Ruther等人的"Surface Conductivity of CMOS Silicon Nitride Layers", Proceedings of IEEE Sensor 2003， Toronto, 10月22-24日，2003,第920-925页公开。该湿度传感器在 氮化物层的表面上具有多个同心设置的环形电极，这些环形电极相互 之间分别以间隙间隔开。借助这些环形电极，检查取决于空气中湿度 的氮化物层的表面电导率。为此，借助信号源向这些环形电极施加随 时间变化的控制电压。该控制电压在氮化物层的表面上引起电流，其 中根据环境温度和相对湿度测量该电流并以特征曲线族的形式示出。 借助于该电流确定氮化物层的表面电导率。此外，借助该特征曲线族 可以根据该电流确定相对湿度。但是，该湿度传感器具有以下缺点 环形电极之间的污物剧烈地改变氮化物层表面的电阻，并且因此可能 导致湿度测量信号明显错误。DE3911812C2公开了一种湿度传感器，该湿度传感器具有对湿 度灵敏的、由聚四氟乙烯制成的层，该层介于两个电极之间，也就是 在能被湿气透过的覆盖电极和基本电极之间。该湿度传感器用于电容式地测量湿度。其中利用了水分子被吸附到聚四氟乙烯的无定形的空 腔中以及电极之间的电容根据湿度而改变的效应。DE3911812C2也公开了 一种根据电阻测量原理工作的湿度传感 器，在该湿度传感器中，位于电极之间的聚四氟乙烯层是可导电的。 这些电极是交叉指型梳状电极，其中在该湿度传感器的俯视图中，一 个电极的指设置在形成于另 一电极的指之间的空隙中。这些电极与电 压源连接，电压源在湿度传感器中产生从该一个电极经过聚四氟乙烯 流向所述另一电极并借助传感器测量的电流。在由DE3911812C2公开的湿度传感器中也存在以下问题电极 上的污物可能导致湿度测量信号错误。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题是实现开头所述类型的湿度传感 器和方法，该湿度传感器和方法使得可以尽可能与测量位置周围出现 的污物无关地测量湿度。该技术问题通过这样一种湿度传感器解决，即该湿度传感器在其 表面上具有用于湿度膜的容纳区域，该湿度膜的层厚度取决于该容纳 区域周围中的相对湿度，其中该湿度传感器具有信号源，该信号源具 有用于生成控制电压的装置，其中为了向湿度膜施加控制电压，该信 号源与至少一个与该容纳区域上的至少一个馈入点邻接的控制电极 连接，其中该湿度传感器具有至少一个电位传感器，该电位传感器在 容纳区域下方具有至少一个与所述至少 一 个馈入点间隔开的传感器 区域，该至少一个传感器区域通过介于其与容纳区域之间的绝缘层而 相对于容纳区域电绝缘，使得借助该电位传感器能够电容式地检测取 决于湿度膜层厚度和控制电压的电位，其中电位传感器的测量信号输 出端与分析装置连接，一其中所述信号源具有用于产生可变控制电压的装置，所述分析装置具有用于产生取决于速度的信号的装置，其中电位传感器测量信 号作为对控制信号变化的响应而以该速度变化，和/或5-其中所述分析装置具有用于产生对于电位传感器的测量信号和 基准信号或基准电位之间的电位偏移的信号的装置。上述技术问题还通过一种用于测量气态介质的湿度的方法解决， 其中在固体上生成湿度膜，该湿度膜的层厚度取决于介质中的相对湿 度，并且在至少一个馈入点向湿度膜施加电位，其中在与该至少一个 馈入点分隔开的位置上穿过电绝缘层地电容地测量电位的测量信号， 该电位取决于湿度膜的层厚度和控制电压。而且，按照优选方式，测量湿度膜上的电位以确定湿度。测量信 号由此基本上与控制电极上可能存在的污物无关。湿度膜的厚度是对周围环境的相对湿度的一种度量，参见Michelle L. Gee等人的 "Hydrophobicity Effects in the Condensation of Water Films on Quartz", Journal of Colloid and Interface Science, Band 140， Nr.2， 450-464页(1990年12月)。湿度膜上的电位可以静态和/或动态地 被测量。由于在动态测量中出现的电荷迁移，尽管在容纳区域和电位 传感器之间存在绝缘层，测量信号还是取决于湿度膜的欧姆电阻，并 因此取决于湿度膜的厚度。信号源的内电阻优选显著小于预料在使用 湿度传感器期间在控制电极上出现的污物的电阻，从而通过控制电极 施加在湿度膜上的控制电压基本上与污物和流过该污物的电流无关。随着湿度的降低，由于层厚度因此而减小并且由于湿度膜的电阻 增大以及同时控制信号随时间的变化，测量信号的变化速度也下降。 按照相应的方式，在湿度增加时该变化速度增大。因此，变化速度是 对相对湿度的一种度量。对变化速度的分析可以借助模拟电路(例如 微分元件)和/或利用数字信号处理方法来进行。分析装置为此目的可 以具有微计算机。湿度传感器周围环境中的湿度变化导致离子敏感场效应晶体管 (ISFET)的特征线发生变化，该特征线的变化导致在相对湿度增加 时，测量信号的直流部分(Gleichanteil)绝对值增加，在湿度下降时 绝对值减小。这是因为湿度膜和绝缘层之间接触面上的电荷密度发生 了变化。电荷密度的变化就像附加电位一样作用于ISFET沟道区域上或测量放大器的输入端上，该附加电位使得测量信号在电位值的绝对 值增大的方向上移动。因此，相对湿度也可以借助测量信号的电位偏 移来静态确定。这例如可以借助比较装置、加法装置或减法装置来确 定。有利的是，控制电极具有至少两个通过至少一个印刷导线相互连 接的电极区域，以及容纳区域设置在这些电极区域之间。电位传感器 的测量信号因此还与控制电极上的污物无关。甚至电极区域之间的短 路都不会导致测量信号的变化。在本专利技术一个优选实施方式中，控制电极无间断地围绕容纳区域 分布，并且尤其是实施为环形电极。在此，优选地，环形电极在其整 个内周与湿度膜接触，使得该湿度膜从各个侧都被施加以控制电压。在本专利技术一个优选实施方式中，电位传感器是场效应晶体管，尤其是ISFET，该场效应晶体管具有第一载流子类型的半导体衬底，在 该半导体衬底上设置第二载流子类型的漏极和源极，其中在漏极和源 极之间形成沟道区域，该沟道区域形成传感器区域。场效应晶体管因 此通过绝缘层与湿度膜形成电容，该电容与湿度膜和电压源的欧姆电 阻串联，并且在向控制电极中馈入随时间变化的控制电压时会在该电 容上出现电压降，该电压降改变场效应晶体管的沟道区域中的电导 率。借助场效应晶体管可以高欧姆地测量湿度膜的电位。场效应晶体 管优选直接设置在湿度膜或湿度膜容纳区域下方，并且由此使得可以 实现对EMV作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湿度传感器（１），所述湿度传感器在表面上具有用于湿度膜（５ａ，５ｂ）的容纳区域（４），该湿度膜的层厚度（６ａ，６ｂ）取决于该容纳区域（４）周围环境中的相对湿度，其中该湿度传感器（１）具有信号源，该信号源具有用于产生控制电压的装置，其中该信号源为了向所述湿度膜（５ａ，５ｂ）施加控制电压而与至少一个与该容纳区域（４）上的至少一个馈入点（１１）邻接的控制电极（１０）连接，其中该湿度传感器（１）具有至少一个电位传感器，该电位传感器在所述容纳区域（４）下方具有至少一个与所述至少一个馈入点（１１）分隔开的传感器区域（９），该至少一个传感器区域通过介于该传感器区域和容纳区域（４）之间的绝缘层（３）而与所述容纳区域（４）电绝缘，使得借助该电位传感器能够电容地检测取决于湿度膜（５ａ，５ｂ）的层厚度和控制电压的电位，其中该电位传感器的测量信号输出端与分析装置连接，　－其中所述信号源具有用于产生变化的控制电压的装置，所述分析装置具有用于产生取决于速度的信号的装置，其中电位传感器的测量信号作为对控制信号变化的响应而以该速度发生变化，和／或　－其中所述分析 装置具有用于产生对于电位传感器的测量信号和基准信号或基准电位之间的电位偏移的信号的装置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M莱曼，HP弗雷里希斯，I弗罗因德，
申请(专利权)人：迈克纳斯公司，
类型：发明
国别省市：DE[]