[發明專利]一種差分電容式濕度傳感器

有效

• 申請號: 201410056314.3
• 申請日: 2014-02-19
• 公開（公告）號: CN103792267A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 沈方平;張珽;祁明鋒;劉瑞;丁海燕
• 申請（專利權）人: 蘇州能斯達電子科技有限公司
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本發明涉及濕度傳感器技術領域，尤其涉及一種差分電容式濕度傳感器。

背景技術

物聯網技術的發展需要在傳感模塊集成大量的傳感器來對不同類型的數據進行采集，因此減小傳感器的體積、提升傳感器性能一致性、降低傳感系統能耗及傳感器成本方面有著重要的意義。濕度傳感器被廣泛應用在汽車工業、航空航天、醫學、軍事、氣象檢測、環境衛生、生物科學、信息技術等領域，涉及到人們生活的方方面面。其發展由最初的干濕球濕度計、毛發濕度計等傳統的濕度傳感器到目前可以采用標準CMOS工藝制造的微型濕度傳感器（包括電容式、電阻式、壓阻式、光學式等類型）。近年來，新型納米材料也被用于設計開發濕度傳感器，如碳納米管、石墨烯濕度傳感器等。電阻式的濕度傳感器由于采用的是電流工作的原理，當工作電流超過300uA時其產生的自加熱效應會影響其精度，這限制了其在高精度濕度傳感器中的應用。新型材料制作的傳感器目前還處于概念階段，其穩定性、一致性均沒有得到很好的解決，在短時間內無法得到大規模生產。

電容式濕度傳感器由于具有靈敏度高，動態響應時間短，制造成本低，熱損耗極小等優點，因此在商用濕度傳感器領域中應用最為廣泛。目前，主要的電容式濕度傳感器有三種，一種三明治式的薄膜式濕度傳感器，感濕材料介于上下極板之間構成濕敏電容。第二種則將電極設計成叉齒形狀，感濕材料介于叉齒之間。這兩種傳感器雖然靈敏度高，但是由于其直接將感濕材料（如聚酰亞胺）作為電介質，在高濕和低濕環境，其介電常數隨濕度的非線性變化使得傳感器的濕度測量范圍變窄。第三種為懸臂梁式的電容濕度傳感器，利用聚酰亞胺吸濕膨脹產生的應力改變懸臂梁的形狀引起電容的變化來測量濕度，雖然可與CMOS兼容，但是為了得到高靈敏度，懸臂梁往往設計的很薄，容易發生斷裂，使用壽命大大縮短。

發明內容

針對現有技術中電容式傳感器非線性強、高濕度區損耗大、精度無法提升的缺陷，本發明實施例提出一種差分電容式濕度傳感器，能提高線性度和精度，降低功耗，易于大規模生產。

本發明實施例提供一種差分電容式濕度傳感器，包括襯底、固定梳齒電極、活動梳齒電極、第一折疊式彈簧、第二折疊式彈簧和濕度敏感應變層；所述第一折疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的上端連接，在伸縮方向上的另一端固定在所述襯底上；所述第二折疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的下端連接，在伸縮方向上的另一端固定在所述襯底上；所述第一折疊式彈簧、所述第二折疊式彈簧和所述活動梳齒電極組成懸臂梁結構，懸置在所述襯底的上方；所述固定梳齒電極固定在所述襯底上，且所述固定梳齒電極和活動梳齒電極相互交錯形成差分式電容；所述濕度敏感應變層設置在所述第一折疊式彈簧或所述第二折疊式彈簧內，使所述濕度敏感應變層在吸濕膨脹后，能夠帶動所述第一折疊式彈簧、所述第二折疊式彈簧和所述活動梳齒電極移動，改變所述活動梳齒電極和所述固定梳齒電極的間距；所述濕度敏感應變層包括：聚酰亞胺感濕層；所述第一折疊式彈簧、第二折疊式彈簧和固定梳齒電極上設置有用于測量所述差分式電容的電容值的金屬電極。

進一步的，所述活動梳齒電極包括連接軸、第一活動電極單元和第二活動電極單元；所述第一活動電極單元包括多個的梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X；所述第二活動電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X；其中，X＞0；所述第一活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在所述連接軸的左側，且垂直于所述連接軸；所述第二活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在所述連接軸的右側，且垂直于所述連接軸；所述第一活動電極單元中的各梳齒電極和所述第二活動電極單元中的各梳齒電極相互錯開排列，所錯開的間距為Y；Y＜X。

進一步的，所述固定梳齒電極包括：第一固定電極單元和第二固定電極單元；所述第一固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X；所述第二固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X；所述第一固定電極單元中的梳齒電極與所述第一活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第一電容；所述第二固定電極單元中的梳齒電極與所述第二活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第二電容；所述第一固定梳齒電極單元中的梳齒電極和所述第二固定梳齒單元中的梳齒電極關于所述連接軸對稱，使第一電容和第二電容組成所述差分式電容。