[发明专利]一种差分电容式湿度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及湿度传感器技术领域，尤其涉及一种差分电容式湿度传感器。

背景技术

物联网技术的发展需要在传感模块集成大量的传感器来对不同类型的数据进行采集，因此减小传感器的体积、提升传感器性能一致性、降低传感系统能耗及传感器成本方面有着重要的意义。湿度传感器被广泛应用在汽车工业、航空航天、医学、军事、气象检测、环境卫生、生物科学、信息技术等领域，涉及到人们生活的方方面面。其发展由最初的干湿球湿度计、毛发湿度计等传统的湿度传感器到目前可以采用标准CMOS工艺制造的微型湿度传感器（包括电容式、电阻式、压阻式、光学式等类型）。近年来，新型纳米材料也被用于设计开发湿度传感器，如碳纳米管、石墨烯湿度传感器等。电阻式的湿度传感器由于采用的是电流工作的原理，当工作电流超过300uA时其产生的自加热效应会影响其精度，这限制了其在高精度湿度传感器中的应用。新型材料制作的传感器目前还处于概念阶段，其稳定性、一致性均没有得到很好的解决，在短时间内无法得到大规模生产。

电容式湿度传感器由于具有灵敏度高，动态响应时间短，制造成本低，热损耗极小等优点，因此在商用湿度传感器领域中应用最为广泛。目前，主要的电容式湿度传感器有三种，一种三明治式的薄膜式湿度传感器，感湿材料介于上下极板之间构成湿敏电容。第二种则将电极设计成叉齿形状，感湿材料介于叉齿之间。这两种传感器虽然灵敏度高，但是由于其直接将感湿材料（如聚酰亚胺）作为电介质，在高湿和低湿环境，其介电常数随湿度的非线性变化使得传感器的湿度测量范围变窄。第三种为悬臂梁式的电容湿度传感器，利用聚酰亚胺吸湿膨胀产生的应力改变悬臂梁的形状引起电容的变化来测量湿度，虽然可与CMOS兼容，但是为了得到高灵敏度，悬臂梁往往设计的很薄，容易发生断裂，使用寿命大大缩短。

发明内容

针对现有技术中电容式传感器非线性强、高湿度区损耗大、精度无法提升的缺陷，本发明实施例提出一种差分电容式湿度传感器，能提高线性度和精度，降低功耗，易于大规模生产。

本发明实施例提供一种差分电容式湿度传感器，包括衬底、固定梳齿电极、活动梳齿电极、第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和湿度敏感应变层；所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极组成悬臂梁结构，悬置在所述衬底的上方；所述固定梳齿电极固定在所述衬底上，且所述固定梳齿电极和活动梳齿电极相互交错形成差分式电容；所述湿度敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或所述第二折叠式弹簧内，使所述湿度敏感应变层在吸湿膨胀后，能够带动所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极移动，改变所述活动梳齿电极和所述固定梳齿电极的间距；所述湿度敏感应变层包括：聚酰亚胺感湿层；所述第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和固定梳齿电极上设置有用于测量所述差分式电容的电容值的金属电极。

进一步的，所述活动梳齿电极包括连接轴、第一活动电极单元和第二活动电极单元；所述第一活动电极单元包括多个的梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二活动电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；其中，X＞0；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的左侧，且垂直于所述连接轴；所述第二活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的右侧，且垂直于所述连接轴；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极和所述第二活动电极单元中的各梳齿电极相互错开排列，所错开的间距为Y；Y＜X。

进一步的，所述固定梳齿电极包括：第一固定电极单元和第二固定电极单元；所述第一固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第一固定电极单元中的梳齿电极与所述第一活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第一电容；所述第二固定电极单元中的梳齿电极与所述第二活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第二电容；所述第一固定梳齿电极单元中的梳齿电极和所述第二固定梳齿单元中的梳齿电极关于所述连接轴对称，使第一电容和第二电容组成所述差分式电容。