基于π型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器及其溫漂修正方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于π型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，包括4個(gè)數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層和過濾網(wǎng)，4個(gè)所述數(shù)據(jù)采集器分兩排分布在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層上，所述過濾網(wǎng)置于所述數(shù)據(jù)采集器的檢測區(qū)上，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層包括四點(diǎn)電阻測量電路、CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器、STM32F407單片機(jī)和TFT真彩液晶顯示屏；4個(gè)數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過四點(diǎn)電阻測量電路量電路傳輸給CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出至STM32F407單片機(jī)，由STM32F407單片機(jī)發(fā)送至TFT真彩液晶顯示屏，在TFT真彩液晶顯示屏上顯示；另外，本發(fā)明還提供了濕度傳感器的溫漂修正方法。
【專利說明】
基于:?型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器及其溫漂修正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于31型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器及其溫漂修正方法，屬于微納機(jī)電系統(tǒng)傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]從上世紀(jì)80年代以來隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的MEMS器件被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、航空航天、氣象環(huán)境、國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域。而近些年來隨著微探針與微流計(jì)等器件的研制成功，數(shù)量眾多的MEMS器件進(jìn)入了化學(xué)分析、大氣檢測、和溫濕度檢測等領(lǐng)域。然而，目前的濕度傳感器由于器件本身結(jié)構(gòu)限制，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度、高靈敏度、高可靠性的濕度測量。
[0003]傳統(tǒng)的濕度傳感器大多采用電阻或者電容式的濕敏元件對空氣中的水蒸氣濃度進(jìn)行檢測，但是由于水和高分子聚合物的介電常數(shù)隨溫度的改變是不同步的，容易產(chǎn)生溫漂，同時(shí)容易受到光照的影響，所以在很難實(shí)現(xiàn)對微小濕度變化的高精度，高靈敏度測量。因此需要對溫度的影響和低靈敏度現(xiàn)狀進(jìn)行處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷和不足，提供了一種基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器及其溫漂修正方法，該濕度傳感器的壓阻系數(shù)與應(yīng)變系數(shù)均數(shù)量級地增加，極大地高了傳感器的靈敏度，可以有效地捕捉空氣中微小的濕度變化，拓展測量量程。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，包括4個(gè)數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層和過濾網(wǎng)，4個(gè)所述數(shù)據(jù)采集器分兩排分布在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層上，所述過濾網(wǎng)置于所述數(shù)據(jù)采集器的檢測區(qū)上，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層包括四點(diǎn)電阻測量電路、CSl 180模數(shù)轉(zhuǎn)換器、STM32F407單片機(jī)和TFT真彩液晶顯示屏;4個(gè)數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過四點(diǎn)電阻測量電路量電路傳輸給CS 1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CS 1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出至STM32F407單片機(jī)，由STM32F407單片機(jī)發(fā)送至TFT真彩液晶顯示屏，在TFT真彩液晶顯示屏上顯示；
[0006]所述數(shù)據(jù)采集器包括基底、應(yīng)力層、檢測區(qū)和型巨壓阻結(jié)構(gòu)，所述應(yīng)力層置于所述基底上，所述檢測區(qū)和η型巨壓阻結(jié)構(gòu)分布在所述應(yīng)力層上，其中，檢測區(qū)置于所述應(yīng)力層的中心，31型巨壓阻結(jié)構(gòu)為兩個(gè)，分布置于所述檢測區(qū)的兩側(cè)且位于所述應(yīng)力層邊緣處，兩個(gè)所述JI型巨壓阻結(jié)構(gòu)通過金屬鋁材質(zhì)的連接線串聯(lián)，并由一個(gè)恒流源供電；所述31型巨壓阻結(jié)構(gòu)包括硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)和金結(jié)構(gòu)區(qū)，其中硅結(jié)構(gòu)區(qū)為兩段，分布置于所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的兩端，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)置于所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的同一側(cè)，且所述金結(jié)構(gòu)區(qū)的長度等于兩段硅結(jié)構(gòu)區(qū)和鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的長度之和，所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)和所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的交界處為硅-鍺異質(zhì)結(jié)，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)和所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的交界處為金-硅-鍺異質(zhì)結(jié);所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的另一側(cè)設(shè)有電位監(jiān)測點(diǎn);所述H型巨壓阻結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)有溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測環(huán)境溫度。
[0007]進(jìn)一步，所述應(yīng)力層與所述基底之間設(shè)有單晶硅材質(zhì)的固體支撐結(jié)構(gòu)，用于防止應(yīng)力層因壓力過大而破裂。
[0008]進(jìn)一步，所述應(yīng)力層和所述固體支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)有加熱裝置，所述加熱裝置為多晶硅電阻絲。
[0009]進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)采集器還包括兩個(gè)尺寸、組成材料均與型巨壓阻結(jié)構(gòu)相同的共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，兩個(gè)所述共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)所述檢測區(qū)的兩端且位于所述應(yīng)力層邊緣處，與兩個(gè)所述η型巨壓阻結(jié)構(gòu)形成方形結(jié)構(gòu)，所述共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與所述η型巨壓阻結(jié)構(gòu)通過金屬鋁材質(zhì)的連接線串聯(lián)，并由同一個(gè)恒流源供電。
[0010]進(jìn)一步，所述31型巨壓阻結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)有U形應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu);所述應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)為采用RIE刻蝕技術(shù)刻蝕在應(yīng)力層上的槽狀結(jié)構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步，所述基底的材質(zhì)為玻璃，應(yīng)力層的材質(zhì)為二氧化硅，檢測區(qū)的材質(zhì)為聚酰亞胺。
[0012]進(jìn)一步，所述四點(diǎn)電阻測量電路與所述的CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間設(shè)有依次相連的多路選擇器和放大濾波電路;所述放大濾波電路包括由電阻Rl、R2、R3、R4與放大器AD620構(gòu)成的第一級放大電路，由電阻R5和電容Cl、電阻R7和電容C2構(gòu)成的二階RC低通濾波器。
[0013]進(jìn)一步，所述娃-鍺異質(zhì)結(jié)的尺寸為(60-70)μηι*5μπρΚ50-150)ηηι，金-娃-鍺異質(zhì)結(jié)的尺寸為(60-70)ym*(35-50)ym*(50-150)nmo
[0014]進(jìn)一步，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)與所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)之間設(shè)有鈦結(jié)構(gòu)區(qū)，用于固定金結(jié)構(gòu)區(qū)，所述鈦結(jié)構(gòu)區(qū)的長度與所述金結(jié)構(gòu)區(qū)的長度相等。
[0015]本發(fā)明還提供了一種基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的溫漂修正方法，其特征在于:STM32F407單片機(jī)利用二次曲面擬合函數(shù)ft^=f(V，T)對溫漂的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正，所述二次曲面擬合函數(shù)《_=f(V，T)的獲得方法包括以下步驟:
[0016]步驟一，將濕度傳感器放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，確定溫度T= 20度時(shí)的濕度作為標(biāo)準(zhǔn)濕度版稚，然后調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度，調(diào)節(jié)范圍為-20-60度，步長為10度，得到不同溫度下濕度傳感器的輸出電壓值V(T);
[0017]步驟二，改變標(biāo)準(zhǔn)濕度版稚，重復(fù)步驟一，得到不同溫度和不同濕度下的濕度傳感器的輸出電壓值V(!fe稚，T)，將濕度傳感器的輸出電壓值V和溫度值T作為待構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)濕度曲面方程ft^=(V，T)的輸入變量，因此在分析濕度時(shí)可以兼顧溫度因素的影響；
[0018]步驟三，利用上述實(shí)驗(yàn)測量的用于構(gòu)建曲面方程ft^=(V，T)的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲面擬合，并采用最小二乘方法確定二次曲面擬合函數(shù)itef=f(v，T)中自變量V和τ的系數(shù)，從而確定二次曲面擬合函數(shù)版稚=f (V，T)。
[0019]本發(fā)明所達(dá)到的有益技術(shù)效果:本發(fā)明提供一種基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，該傳感器的實(shí)現(xiàn)原理為:環(huán)境中的水汽分子透過過濾網(wǎng)濾去雜質(zhì)后，被綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料聚酰亞胺吸收，由于聚酰亞胺的優(yōu)異性能，以及過濾網(wǎng)的過濾作用，能夠?qū)崿F(xiàn)在惡劣環(huán)境下的濕度檢測工作，拓展了本濕度傳感器的使用范圍。同時(shí)該傳感器的數(shù)據(jù)采集器采用具有兩個(gè)硅-鍺異質(zhì)結(jié)和一個(gè)金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)組成的型巨壓阻結(jié)構(gòu)，以及在型巨壓阻結(jié)構(gòu)周圍通過RIE刻蝕制作的應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，能夠使?jié)穸葌鞲衅鞯膲鹤柘禂?shù)與應(yīng)變系數(shù)均有數(shù)量級地增加，通過兩種異質(zhì)結(jié)結(jié)合使用3型巨壓阻結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)沿橫向和縱向的放大應(yīng)力，在相同應(yīng)力條件下產(chǎn)生更大的電阻阻值變化，從根本上提高濕度傳感器的靈敏度;采用兩個(gè)共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠保證該濕度傳感器的壓力傳感結(jié)構(gòu)在復(fù)雜外界環(huán)境下的測量精度;為了防止應(yīng)力層在極限工作狀態(tài)下因應(yīng)力過大而破裂，本濕度傳感器在應(yīng)力層下方設(shè)有單晶硅構(gòu)成的固體支撐結(jié)構(gòu)，為應(yīng)力層在極限工作條件下提供保護(hù)，使本濕度傳感器的測量范圍和使用場合都得到擴(kuò)展；另外，該傳感器采用四點(diǎn)電阻測量方法以及信號的放大、濾波調(diào)理電路，可得到較為精準(zhǔn)的信號，削弱噪聲等外界因素對檢測結(jié)果的影響，可以達(dá)到高精度、穩(wěn)定測量的效果。采用4個(gè)數(shù)據(jù)采集器獲取數(shù)據(jù)后再取平均值可以提高系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的濕度傳感器的溫漂修正方法可以有效提高檢測的準(zhǔn)確度，避免溫度對濕度測量產(chǎn)生的影響。
【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明之?dāng)?shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2本發(fā)明之型巨壓阻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3本發(fā)明之整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4本發(fā)明之放大濾波電路圖；
[0024]圖5本發(fā)明之濕度傳感器工作流程示意圖；
[0025]圖6本發(fā)明之濕度傳感器溫漂修正方法示意圖。
[0026]其中:I基底;2檢測區(qū)；3應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu);4應(yīng)力層;5π型巨壓阻結(jié)構(gòu);6共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu);7固體支撐結(jié)構(gòu);8硅結(jié)構(gòu)區(qū);9鍺結(jié)構(gòu)區(qū)；10鈦結(jié)構(gòu)區(qū)；11金結(jié)構(gòu)區(qū)；12硅-鍺異質(zhì)結(jié)；13金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)；14加熱裝置；15溫度傳感器;16電位測量點(diǎn)；17數(shù)據(jù)采集器;18數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層；19過濾網(wǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]如圖1-5所示，本發(fā)明提供一種基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，包括4個(gè)數(shù)據(jù)采集器17、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層18和過濾網(wǎng)19，4個(gè)所述數(shù)據(jù)采集器17分兩排分布在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層18上，所述過濾網(wǎng)19置于所述數(shù)據(jù)采集器17的檢測區(qū)2上，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層18包括四點(diǎn)電阻測量電路、CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器、STM32F407單片機(jī)和TFT真彩液晶顯示屏;4個(gè)數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過四點(diǎn)電阻測量電路量電路傳輸給CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出至STM32F407單片機(jī)，由STM32F407單片機(jī)發(fā)送至TFT真彩液晶顯示屏，在TFT真彩液晶顯示屏上顯示；
[0029]所述數(shù)據(jù)采集器17包括基底1、應(yīng)力層4、檢測區(qū)2和型巨壓阻結(jié)構(gòu)5，所述應(yīng)力層4置于所述基底I上，所述檢測區(qū)2和型巨壓阻結(jié)構(gòu)5分布在所述應(yīng)力層4上，其中，檢測區(qū)2置于所述應(yīng)力層4的中心，型巨壓阻結(jié)構(gòu)5為兩個(gè)，分別為Cl，C2，分布置于所述檢測區(qū)2的兩側(cè)且位于所述應(yīng)力層4邊緣處，兩個(gè)所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)5通過金屬鋁材質(zhì)的連接線串聯(lián)，并由一個(gè)恒流源供電，恒流源在提供穩(wěn)定電流的同時(shí)減少因電源不同造成的測量誤差;所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)5包括硅結(jié)構(gòu)區(qū)8、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9和金結(jié)構(gòu)區(qū)11，其中硅結(jié)構(gòu)區(qū)8為兩段，分布置于所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9的兩端，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)11置于所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)8、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9的同一側(cè)，且所述金結(jié)構(gòu)區(qū)11的長度等于兩段硅結(jié)構(gòu)區(qū)8和鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9的長度之和，所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)8和所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9的交界處為硅-鍺異質(zhì)結(jié)12，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)11和所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)8、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9的交界處為金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)13，其中兩個(gè)硅-鍺異質(zhì)結(jié)12相互平行，且與金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)13垂直，從而形成結(jié)構(gòu)，稱為型巨壓阻結(jié)構(gòu)5;所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9的另一側(cè)設(shè)有電位監(jiān)測點(diǎn)6;所述η型巨壓阻結(jié)構(gòu)5的一側(cè)設(shè)有溫度傳感器15，用于實(shí)時(shí)檢測環(huán)境溫度。
[0030]所述基底I的材質(zhì)為玻璃，應(yīng)力層4的材質(zhì)為二氧化硅，檢測區(qū)2的材質(zhì)為聚酰亞胺，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的濕度檢測。
[0031]為了防止應(yīng)力層4在極限工作狀態(tài)下因壓力過大而破裂，所述應(yīng)力層4與所述基底I之間設(shè)有單晶硅材質(zhì)的固體支撐結(jié)構(gòu)7，為應(yīng)力層4在極限工作條件下提供保護(hù)。所述應(yīng)力層4和所述固體支撐結(jié)構(gòu)7之間設(shè)有加熱裝置14，所述加熱裝置為多晶硅電阻絲。
[0032]所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)5的周圍設(shè)有U形應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)3;所述應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)3為采用RIE刻蝕技術(shù)刻蝕在應(yīng)力層上的槽狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)力更加集中，使應(yīng)力變化產(chǎn)生的形變更加明顯。
[0033]所述數(shù)據(jù)采集器17還包括兩個(gè)尺寸、組成材料均與型巨壓阻結(jié)構(gòu)相同的共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)6，分別為C3，C4，兩個(gè)所述共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)6所述檢測區(qū)2的兩端且位于所述應(yīng)力層4邊緣處，與兩個(gè)所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)5形成方形結(jié)構(gòu)，所述共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)6與所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)5通過金屬鋁材質(zhì)的連接線串聯(lián)，并由同一個(gè)恒流源供電。
[0034]試驗(yàn)表明，JT型巨壓阻結(jié)構(gòu)5的尺寸極大地影響了巨壓阻結(jié)構(gòu)的壓阻與應(yīng)變系數(shù)，本發(fā)明中，所述娃-鍺異質(zhì)結(jié)的尺寸為(60-70)μηι*5μηι*(50-150)nm，金-娃-鍺異質(zhì)結(jié)的尺寸為(60-70)ym*(35-50)ym*(50-150)nmo
[0035]所述金結(jié)構(gòu)區(qū)11與所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)8、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)9之間設(shè)有鈦結(jié)構(gòu)區(qū)10，用于固定金結(jié)構(gòu)區(qū)11，所述鈦結(jié)構(gòu)區(qū)1的長度與所述金結(jié)構(gòu)區(qū)11的長度相等。
[0036]所述四點(diǎn)電阻測量電路與所述的CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間設(shè)有依次相連的多路選擇器和放大濾波電路;所述放大濾波電路包括由電阻Rl、R2、R3、R4與放大器AD620構(gòu)成的第一級放大電路，由電阻R5和電容Cl、電阻R7和電容C2構(gòu)成的二階RC低通濾波器。
[0037]本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)采集器17的工作原理:濕度檢測區(qū)表面覆蓋一層過濾網(wǎng)19，將周圍環(huán)境中除水分以外的其他雜質(zhì)顆粒過濾，只對空氣中水分進(jìn)行吸收，吸收空氣中的水分后型巨壓阻結(jié)構(gòu)5質(zhì)量發(fā)生改變并產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力通過應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)，增強(qiáng)后的應(yīng)力進(jìn)一步導(dǎo)致型巨壓阻結(jié)構(gòu)5表面尤其是其根部區(qū)域產(chǎn)生較大應(yīng)力，該應(yīng)力導(dǎo)致31型巨壓阻結(jié)構(gòu)5的硅-鍺異質(zhì)結(jié)12和金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)13產(chǎn)生巨壓阻效應(yīng)，即增強(qiáng)后的應(yīng)力調(diào)整了硅-鍺異質(zhì)結(jié)12和金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)13的勢皇高度，使電子通過的數(shù)量發(fā)生巨大改變，從而使電阻發(fā)生數(shù)量級的巨變。相對于傳統(tǒng)濕度傳感器通過電阻電容變化來檢測濕度變化，本濕度傳感器先通過將濕度變化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力變化，然后通過應(yīng)力增強(qiáng)并采用在相同應(yīng)力條件下能夠產(chǎn)生更為明顯電阻阻值變化的型巨壓阻結(jié)構(gòu)，從而本發(fā)明從傳感結(jié)構(gòu)上顯著提高了濕度傳感器的靈敏度，拓寬了其量程范圍。
[0038]實(shí)施例
[0039]傳統(tǒng)的體硅壓阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)一般在50-100之間，且易受環(huán)境溫度的影響。為了說明本發(fā)明提供的濕度傳感器的技術(shù)效果，采用四點(diǎn)彎曲測試裝置在-20-60度溫度范圍內(nèi)對本發(fā)明提出的型巨壓阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進(jìn)行了測量，測試結(jié)果表明^型巨壓阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)可以達(dá)到1000以上，同時(shí)，考察了硅-鍺異質(zhì)結(jié)和金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)尺寸的變化對應(yīng)變靈敏度系數(shù)的影響，當(dāng)硅-鍺異質(zhì)結(jié)長度為5μπι時(shí)，應(yīng)變靈敏度系數(shù)數(shù)量級巨變，可以達(dá)到3000。另外，溫度對型巨壓阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)變靈敏度影響也比較顯著，溫漂誤差達(dá)到了 3%FS-5%FS。
[0040]由于濕度測量所處的環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境溫度不是恒定不變的，并且濕度傳感器是由半導(dǎo)體材料制作的，所以極易受到溫度的影響?？紤]到環(huán)境溫度會對傳感器濕度測量帶來不小的誤差，因此，本發(fā)明提供了一種基于η型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的溫漂修正方法，該方法為:STM32F407單片機(jī)利用二次曲面擬合函數(shù)版稚=f (V，T)對溫漂的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正，所述二次曲面擬合函數(shù)《_=f(V，T)的獲得方法包括以下步驟:
[0041]步驟一，將濕度傳感器放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，確定溫度T= 20度時(shí)的濕度作為標(biāo)準(zhǔn)濕度版稚，然后調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度，調(diào)節(jié)范圍為-20-60度，步長為10度，得到不同溫度下濕度傳感器的輸出電壓值V(T);
[0042]步驟二，改變標(biāo)準(zhǔn)濕度版稚，重復(fù)步驟一，得到不同溫度和不同濕度下的濕度傳感器的輸出電壓值V(!fe稚，Τ)，將濕度傳感器的輸出電壓值V和溫度值T作為待構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)濕度曲面方程ft^=(V，T)的輸入變量，因此在分析濕度時(shí)可以兼顧溫度因素的影響；
[0043]步驟三，如圖6所示，利用上述實(shí)驗(yàn)測量的用于構(gòu)建版稚=…，!')曲面方程的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲面擬合，并采用最小二乘方法確定二次曲面擬合函數(shù)版稚=f (V，T)中自變量V和T的系數(shù)，從而確定二次曲面擬合函數(shù)版稚=f(V，T)。采用最小二乘方法確定二次曲面擬合函數(shù)的系數(shù)，可以使采用二次曲面擬合函數(shù)ft^=f(V，T)計(jì)算的濕度值和標(biāo)準(zhǔn)濕度值版稚之間的誤差最小。
[0044]該二次曲面擬合函數(shù)版稚=f(V，T)是傳感器的被測濕度、環(huán)境溫度和輸出電壓之間的曲面擬合數(shù)學(xué)預(yù)測模型，在獲取了傳感器輸出電壓和環(huán)境溫度后可方便地計(jì)算出被測濕度值。該二次曲面擬合函數(shù)ft^=f(V，T)包含了溫度T，通過建立溫度和濕度之間的非線性映射關(guān)系去除溫漂影響，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。將該二次曲面擬合函數(shù)移植到STM32單片機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度漂移補(bǔ)償修正。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于π型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:包括4個(gè)數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層和過濾網(wǎng)，4個(gè)所述數(shù)據(jù)采集器分兩排分布在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層上，所述過濾網(wǎng)置于所述數(shù)據(jù)采集器的檢測區(qū)上，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成層包括四點(diǎn)電阻測量電路、CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器、STM32F407單片機(jī)和TFT真彩液晶顯示屏;4個(gè)數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過四點(diǎn)電阻測量電路量電路傳輸給CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出至STM32F407單片機(jī)，由STM32F407單片機(jī)發(fā)送至TFT真彩液晶顯示屏，在TFT真彩液晶顯示屏上顯示； 所述數(shù)據(jù)采集器包括基底、應(yīng)力層、檢測區(qū)和η型巨壓阻結(jié)構(gòu)，所述應(yīng)力層置于所述基底上，所述檢測區(qū)和型巨壓阻結(jié)構(gòu)分布在所述應(yīng)力層上，其中，檢測區(qū)置于所述應(yīng)力層的中心，型巨壓阻結(jié)構(gòu)為兩個(gè)，分布置于所述檢測區(qū)的兩側(cè)且位于所述應(yīng)力層邊緣處，兩個(gè)所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)通過金屬鋁材質(zhì)的連接線串聯(lián)，并由一個(gè)恒流源供電；所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)包括硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)和金結(jié)構(gòu)區(qū)，其中硅結(jié)構(gòu)區(qū)為兩段，分布置于所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的兩端，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)置于所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的同一側(cè)，且所述金結(jié)構(gòu)區(qū)的長度等于兩段硅結(jié)構(gòu)區(qū)和鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的長度之和，所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)和所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的交界處為硅-鍺異質(zhì)結(jié)，所述金結(jié)構(gòu)區(qū)和所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的交界處為金-硅-鍺異質(zhì)結(jié);所述鍺結(jié)構(gòu)區(qū)的另一側(cè)設(shè)有電位監(jiān)測點(diǎn);所述η型巨壓阻結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)有溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測環(huán)境溫度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述應(yīng)力層與所述基底之間設(shè)有單晶硅材質(zhì)的固體支撐結(jié)構(gòu)，用于防止應(yīng)力層因壓力過大而破裂。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述應(yīng)力層和所述固體支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)有加熱裝置，所述加熱裝置為多晶硅電阻絲。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集器還包括兩個(gè)尺寸、組成材料均與型巨壓阻結(jié)構(gòu)相同的共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，兩個(gè)所述共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)所述檢測區(qū)的兩端且位于所述應(yīng)力層邊緣處，與兩個(gè)所述η型巨壓阻結(jié)構(gòu)形成方形結(jié)構(gòu)，所述共模信號補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與所述η型巨壓阻結(jié)構(gòu)通過金屬鋁材質(zhì)的連接線串聯(lián)，并由同一個(gè)恒流源供電。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述型巨壓阻結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)有U形應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu);所述應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)為采用RIE刻蝕技術(shù)刻蝕在應(yīng)力層上的槽狀結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述基底的材質(zhì)為玻璃，應(yīng)力層的材質(zhì)為二氧化硅，檢測區(qū)的材質(zhì)為聚酰亞胺。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述四點(diǎn)電阻測量電路與所述的CS1180模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間設(shè)有依次相連的多路選擇器和放大濾波電路；所述放大濾波電路包括由電阻Rl、R2、R3、R4與放大器AD620構(gòu)成的第一級放大電路，由電阻R5和電容Cl、電阻R7和電容C2構(gòu)成的二階RC低通濾波器。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述硅-鍺異質(zhì)結(jié)的尺寸為(60-70)ym*5ym*(50-150)nm，金-硅-鍺異質(zhì)結(jié)的尺寸為(60-70)μπι*(35-50)μm*(50_150)nmo9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于:所述金結(jié)構(gòu)區(qū)與所述硅結(jié)構(gòu)區(qū)、鍺結(jié)構(gòu)區(qū)之間設(shè)有鈦結(jié)構(gòu)區(qū)，用于固定金結(jié)構(gòu)區(qū)，所述鈦結(jié)構(gòu)區(qū)的長度與所述金結(jié)構(gòu)區(qū)的長度相等。10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的基于31型巨壓阻結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的溫漂修正方法，其特征在于:STM32F407單片機(jī)利用二次曲面擬合函數(shù)版稚=f(V，T)對溫漂的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正，所述二次曲面擬合函數(shù)《_=f(V，T)的獲得方法包括以下步驟: 步驟一，將濕度傳感器放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，確定溫度T = 20度時(shí)的濕度作為標(biāo)準(zhǔn)濕度版稚，然后調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度，調(diào)節(jié)范圍為-20-60度，步長為10度，得到不同溫度下濕度傳感器的輸出電壓值V(T)； 步驟二，改變標(biāo)準(zhǔn)濕度版雅，重復(fù)步驟一，得到不同溫度和不同濕度下的濕度傳感器的輸出電壓值v(!fe稚，T)，將濕度傳感器的輸出電壓值V和溫度值T作為待構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)濕度曲面方程ft^=(V，T)的輸入變量，因此在分析濕度時(shí)可以兼顧溫度因素的影響； 步驟三，利用上述實(shí)驗(yàn)測量的用于構(gòu)建曲面方程itef=(V，T)的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲面擬合，并采用最小二乘方法確定二次曲面擬合函數(shù)版稚=f (V，T)中自變量V和T的系數(shù)，從而確定二次曲面擬合函數(shù)Hts稚=f (V，T)。
【文檔編號】G01N27/04GK105928989SQ201610567744
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】張加宏, 沈雷, 劉進(jìn), 冒曉莉, 顧芳
【申請人】南京信息工程大學(xué)