[發(fā)明專利]一種基于機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011164155.0
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112268939B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓磊;張勛;隋東辰;王慕恩;張海青
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發(fā)明公開了一種基于機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)為由三片S型微結(jié)構(gòu)支撐層依次首尾相連形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每片S型微結(jié)構(gòu)支撐層的兩個(gè)凸側(cè)上靠近微結(jié)構(gòu)支撐層相連端點(diǎn)處分別固連一片濕度敏感層，每個(gè)微結(jié)構(gòu)支撐層的外側(cè)固連一個(gè)加熱電阻，加熱電阻位于S型微結(jié)構(gòu)支撐層中點(diǎn)與內(nèi)凸的濕度敏感層之間，微結(jié)構(gòu)支撐層與濕度敏感層共同構(gòu)成機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)。CNT薄膜電阻設(shè)置在環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)并位于其幾何中心，每個(gè)加熱電阻中點(diǎn)處對應(yīng)的S型微結(jié)構(gòu)支撐層的位置分別通過連接線與CNT薄膜電阻連接。發(fā)明利用機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹系數(shù)特性和加熱電阻的熱膨脹特性進(jìn)行補(bǔ)償來測量濕度，其線性度好、靈敏度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

人類的生存和社會(huì)活動(dòng)與濕度密切相關(guān)，濕度傳感器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象檢測、環(huán)境保護(hù)、軍事國防、醫(yī)療救護(hù)、工業(yè)自控等領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)外研究了多種濕度傳感器，隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，濕度傳感器也逐漸向微型化方向不斷發(fā)展。現(xiàn)有的微型濕度傳感原理主要包括電容式和電阻式兩大類，兩種類型的濕度傳感器在靈敏度、測量范圍、響應(yīng)速度、線性度、體積、穩(wěn)定性、產(chǎn)品互換性等方面各有優(yōu)劣，適用于不同的場合。水凝膠或聚酰亞胺等與CMOS工藝兼容且具有良好的感濕特性和生物相容性，因此常被用做濕度傳感器的濕度敏感材料。機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)是近年來提出的一種人工設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)，其是通過特定的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來獲得傳統(tǒng)材料所不具備的超常規(guī)物理特性，超常的物理特性不僅受限于構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的材料組分，更強(qiáng)烈依賴于人工結(jié)構(gòu)的基元和幾何結(jié)構(gòu)的排布方式，使其可應(yīng)用于多用途的濕度敏感材料系統(tǒng)中，來達(dá)到濕度檢測的目的。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的進(jìn)一步提高，研究具有高性能、多用途的濕度傳感器勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種基于機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，利用機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹系數(shù)的超常物理特性實(shí)現(xiàn)濕度檢測。

技術(shù)方案：一種基于機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，所述濕度傳感器為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，包括主體結(jié)構(gòu)、濕度敏感層、CNT薄膜電阻、連接線、加熱電阻；其中，所述主體結(jié)構(gòu)為由三片S型微結(jié)構(gòu)支撐層依次首尾相連形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)；每片所述S型微結(jié)構(gòu)支撐層的兩個(gè)凸側(cè)上靠近微結(jié)構(gòu)支撐層相連端點(diǎn)處分別固連一片濕度敏感層，所述微結(jié)構(gòu)支撐層與濕度敏感層共同構(gòu)成機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)；每片所述S型微結(jié)構(gòu)支撐層的外側(cè)固連一個(gè)加熱電阻，加熱電阻位于S型微結(jié)構(gòu)支撐層中點(diǎn)與內(nèi)凸的濕度敏感層之間；所述CNT薄膜電阻設(shè)置在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)并位于其幾何中心，每個(gè)加熱電阻中點(diǎn)處對應(yīng)的S型微結(jié)構(gòu)支撐層的內(nèi)側(cè)分別通過一根連接線與所述CNT薄膜電阻的邊緣連接，所述連接線為剛性材料。

進(jìn)一步的，當(dāng)空氣中濕度增大時(shí)，濕度敏感層吸收水分子后發(fā)生膨脹，導(dǎo)致機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向內(nèi)收縮的形變，同時(shí)對各加熱電阻施加相同的電流激勵(lì)，使加熱電阻溫度上升，使得機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向外膨脹形變，當(dāng)所述電流激勵(lì)引起所述機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的向外膨脹形變與濕度引起所述機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的向內(nèi)收縮形變發(fā)生相互抵消時(shí)，檢測所述加熱電阻上所施加電流激勵(lì)的大小來實(shí)現(xiàn)濕度的測量。

有益效果：本發(fā)明的一種基于機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，通過微電子加工工藝，結(jié)構(gòu)尺寸的精度可以達(dá)到較高水平，體積大幅縮小，有利于實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化；該濕度傳感器選用的濕度敏感材料水凝膠或聚酰亞胺對濕度變化特別敏感，且加熱電阻的熱膨脹系數(shù)也很大，使得該濕度傳感器靈敏度高，響應(yīng)速度快；本發(fā)明突破了傳統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)的思維限制，利用人工設(shè)計(jì)的機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹系數(shù)特性和加熱電阻的熱膨脹特性進(jìn)行補(bǔ)償來測量濕度，使得傳感器線性度好、靈敏度高、測量范圍大、測量誤差小；同時(shí)，機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的濕度傳感器還具有結(jié)構(gòu)新穎、成本低、高生物相容性等優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1沿A-A’的剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。