CN112268939B - 一种基于机械超材料结构的湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械超材料结构的湿度传感器，为旋转对称结构，其主体结构为由三片S型微结构支撑层依次首尾相连形成的环形结构，每片S型微结构支撑层的两个凸侧上靠近微结构支撑层相连端点处分别固连一片湿度敏感层，每个微结构支撑层的外侧固连一个加热电阻，加热电阻位于S型微结构支撑层中点与内凸的湿度敏感层之间，微结构支撑层与湿度敏感层共同构成机械超材料结构。CNT薄膜电阻设置在环形结构的内侧并位于其几何中心，每个加热电阻中点处对应的S型微结构支撑层的位置分别通过连接线与CNT薄膜电阻连接。发明利用机械超材料结构负膨胀系数特性和加热电阻的热膨胀特性进行补偿来测量湿度，其线性度好、灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于机械超材料结构的湿度传感器，属于微电子器件技术领域。
背景技术
人类的生存和社会活动与湿度密切相关，湿度传感器广泛应用于农业生产、气象检测、环境保护、军事国防、医疗救护、工业自控等领域。近年来，国内外研究了多种湿度传感器，随着MEMS技术的不断发展，湿度传感器也逐渐向微型化方向不断发展。现有的微型湿度传感原理主要包括电容式和电阻式两大类，两种类型的湿度传感器在灵敏度、测量范围、响应速度、线性度、体积、稳定性、产品互换性等方面各有优劣，适用于不同的场合。水凝胶或聚酰亚胺等与CMOS工艺兼容且具有良好的感湿特性和生物相容性，因此常被用做湿度传感器的湿度敏感材料。机械超材料结构是近年来提出的一种人工设计材料结构，其是通过特定的人工结构设计来获得传统材料所不具备的超常规物理特性，超常的物理特性不仅受限于构成该结构的材料组分，更强烈依赖于人工结构的基元和几何结构的排布方式，使其可应用于多用途的湿度敏感材料系统中，来达到湿度检测的目的。近年来，随着科学技术的不断进步和市场需求的进一步提高，研究具有高性能、多用途的湿度传感器势在必行。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于机械超材料结构的湿度传感器，利用机械超材料结构负膨胀系数的超常物理特性实现湿度检测。
技术方案：一种基于机械超材料结构的湿度传感器，所述湿度传感器为旋转对称结构，包括主体结构、湿度敏感层、CNT薄膜电阻、连接线、加热电阻；其中，所述主体结构为由三片S型微结构支撑层依次首尾相连形成的环形结构；每片所述S型微结构支撑层的两个凸侧上靠近微结构支撑层相连端点处分别固连一片湿度敏感层，所述微结构支撑层与湿度敏感层共同构成机械超材料结构；每片所述S型微结构支撑层的外侧固连一个加热电阻，加热电阻位于S型微结构支撑层中点与内凸的湿度敏感层之间；所述CNT薄膜电阻设置在所述环形结构的内侧并位于其几何中心，每个加热电阻中点处对应的S型微结构支撑层的内侧分别通过一根连接线与所述CNT薄膜电阻的边缘连接，所述连接线为刚性材料。
进一步的，当空气中湿度增大时，湿度敏感层吸收水分子后发生膨胀，导致机械超材料结构产生向内收缩的形变，同时对各加热电阻施加相同的电流激励，使加热电阻温度上升，使得机械超材料结构产生向外膨胀形变，当所述电流激励引起所述机械超材料结构的向外膨胀形变与湿度引起所述机械超材料结构的向内收缩形变发生相互抵消时，检测所述加热电阻上所施加电流激励的大小来实现湿度的测量。
有益效果：本发明的一种基于机械超材料结构的湿度传感器，通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的微型化；该湿度传感器选用的湿度敏感材料水凝胶或聚酰亚胺对湿度变化特别敏感，且加热电阻的热膨胀系数也很大，使得该湿度传感器灵敏度高，响应速度快；本发明突破了传统检测结构的思维限制，利用人工设计的机械超材料结构负膨胀系数特性和加热电阻的热膨胀特性进行补偿来测量湿度，使得传感器线性度好、灵敏度高、测量范围大、测量误差小；同时，机械超材料结构的湿度传感器还具有结构新颖、成本低、高生物相容性等优势。
附图说明
图1为本发明湿度传感器的结构示意图；
图2为图1沿A-A’的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种基于机械超材料结构的湿度传感器，湿度传感器为旋转对称结构，包括主体结构、湿度敏感层2、CNT薄膜电阻3、连接线4、加热电阻5。其中，主体结构为由三片S型微结构支撑层1依次首尾相连形成的环形结构，S型微结构支撑层1为薄片结构，其通过微电子加工工艺制备在衬底上。每片S型微结构支撑层1的两个凸侧上靠近微结构支撑层相连端点处分别固连一片湿度敏感层2，可采用具有良好感湿特性的湿度敏感材料如水凝胶或聚酰亚胺，6片湿度敏感层2的规格形状完全一致。每片S型微结构支撑层1外侧固连一个加热电阻5，加热电阻5位于S型微结构支撑层1中点与内凸的湿度敏感层2之间。CNT薄膜电阻3设置在环形结构的内侧并位于其几何中心，每个加热电阻5中点处对应的S型微结构支撑层1的内侧分别通过一根连接线4与CNT薄膜电阻3的边缘连接，连接线4为刚性材料。
当空气中的湿度增大时，湿度敏感层2的湿敏材料能够吸收水分子，而微结构支撑层1的材料对湿度变化不敏感，即两种材料吸收水分子后的膨胀系数不同。湿度敏感层2吸收水分子后发生较大膨胀，而微结构支撑层1吸收水分子后无明显变化，导致微结构支撑层1和湿度敏感层2构成的机械超材料结构产生整体收缩的形变，该形变通过连接线4传递到CNT薄膜电阻3，对CNT薄膜电阻3进行压缩，使得薄膜电阻值发生变化。与此同时，对每个加热电阻5施加相同的电流激励使得其温度升高，而加热电阻5的热膨胀系数要高于微结构支撑层1的材料，当温度上升时，加热电阻5发生热膨胀，将使得微结构支撑层1和湿度敏感层2构成的机械超材料结构产生向外膨胀的形变，从而对CNT薄膜电阻3进行拉伸。通过施加适当的电流激励，湿度引起机械超材料结构的向内收缩形变与电流激励引起机械超材料结构的向外膨胀形变会发生相互抵消，使得CNT薄膜电阻3的电阻值保持不变，其中CNT薄膜电阻3的电阻值可采用万用表进行测量，这样通过检测加热电阻5上所施加电流激励的大小来实现湿度的测量。
本发明的微结构支撑层和湿度敏感层构成机械超材料结构，其具有负膨胀系数的超常物理特性，有效地将湿敏材料的膨胀形变转换为弯曲形变，同时利用加热电阻热膨胀系数大的特性，对加热电阻施加电流激励使机械超材料结构发生膨胀形变，来抵消湿敏材料吸收水分子后机械超材料结构的收缩形变，通过检测电流激励大小来间接测量湿度，相较于传统的结构，该湿度传感器线性度好、测量范围大、灵敏度高、测量误差小、结构新颖。
本发明的基于机械超材料结构的湿度传感器不同于传统的湿度传感器，具有以下主要特点：一、机械超材料结构中湿度敏感材料水凝胶或聚酰亚胺对湿度变化非常敏感，且加热电阻的热膨胀系数也很大，因此该湿度传感器灵敏度高、响应速度快；二、该湿度传感器利用机械超材料结构的负膨胀系数特性，有效地将湿敏材料的膨胀形变转换为弯曲形变，同时利用加热电阻热膨胀系数大的特性，对加热电阻施加电流激励使机械超材料结构发生膨胀形变，来抵消湿敏材料吸收水分子后机械超材料结构的收缩形变，通过检测电流激励大小来间接测量湿度，相较于传统的湿度传感器，该湿度传感器线性度更好、检测范围更大，测量误差更小；三、该湿度传感器结构简单新颖，可以实现高精度和高可靠的应用需求；四、该湿度传感器的制作无需特殊的材料，制作成本低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于机械超材料结构的湿度传感器，其特征在于：所述湿度传感器为旋转对称结构，包括主体结构、湿度敏感层（2）、CNT薄膜电阻（3）、连接线（4）、加热电阻（5）；其中，所述主体结构为由三片S型微结构支撑层（1）依次首尾相连形成的环形结构；每片所述S型微结构支撑层（1）的两个凸侧上靠近微结构支撑层相连端点处分别固连一片湿度敏感层（2），所述S 型 微结构支撑层（1）与湿度敏感层（2）共同构成机械超材料结构；每片所述S型微结构支撑层（1）的外侧固连一个加热电阻（5），加热电阻（5）位于S型微结构支撑层（1）中点与内凸的湿度敏感层之间；所述CNT薄膜电阻（3）设置在所述环形结构的内侧并位于其几何中心，每个加热电阻（5）中点处对应的S型微结构支撑层（1）的内侧分别通过一根连接线（4）与所述CNT薄膜电阻（3）的边缘连接，所述连接线（4）为刚性材料；
当空气中湿度增大时，湿度敏感层（2）吸收水分子后发生膨胀，导致机械超材料结构产生向内收缩的形变，同时对各加热电阻（5）施加相同的电流激励，使加热电阻（5）温度上升，使得机械超材料结构产生向外膨胀形变，当所述电流激励引起所述机械超材料结构的向外膨胀形变与湿度引起所述机械超材料结构的向内收缩形变发生相互抵消时，检测所述加热电阻（5）上所施加电流激励的大小来实现湿度的测量。
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