双通道谐振式温湿度传感器芯片、传感系统及加工方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域。尤其涉及一种双通道谐振式温湿度传感器芯片、传感系统及加工方法。

背景技术

温度、湿度是两个重要的物理量，与人们的生活密切相关，小到生活起居，大到工农业发展、气象观测、生物医疗、航空航天探测等方方面面。并且两个物理量之间联系密切，常常被用来综合监测，因此能够精准、便捷地对温湿度进行测量也就尤为重要。目前市面上温湿度传感器测量方法也是种类众多，温度测量方法包括热电偶式、电阻式和光纤式等，湿度测量方法包括电容电阻式、压电谐振式、冷镜式等。其中压电谐振式湿度传感器因其精度高、测量范围宽、响应快、频率输出稳定等优势被广泛使用。

然而在谐振式湿度测量领域，温度会对谐振输出频率造成漂移，使准确性下降，严重时可能会淹没所需的湿度信号，导致大量测量误差的产生，从而使整个测量系统难以正常运转。因此，有必要在谐振式湿度传感器测量湿度时，对湿度响应进行温度补偿。传统的温度补偿方案主要分为硬件补偿与软件补偿，但是硬件补偿中电子元器件搭建成的电路对于要求实时性与补偿精度较高的场所不能满足要求，而软件补偿算法的迭代次数普遍较大，算法复杂，收敛速度慢。综上而言，仍需一种具有良好温频补偿方法解决谐振式湿度测量领域中的温漂问题。

发明内容

本发明提供一种双通道谐振式温湿度传感器芯片、传感芯片及加工方法。以解决现有谐振式湿度测量领域中的温漂问题。

为实现上述目的，本发明提供一种双通道谐振式温湿度传感器芯片，包括：

石英晶片基底，在所述基底上形成工作晶振单元、参比晶振单元以及测温单元，其中：

所述工作晶振单元包括工作电极、设置于工作电极上的感湿薄膜以及连接所述工作电极的电极外延区；

所述参比晶振单元包括参比电极以及连接所述参比电极的电极外延区；

所述测温单元包括测温元件、引线外延区以及绝缘层，其中，所述引线外延区连接所述测温元件的两端；所述绝缘层覆盖所述测温元件和所述引线外延区；

所述工作晶振单元与参比晶振单元分别在驱动电路激励下产生振动，以进行幅值信号与频率信号的输出，所述测温单元进行阻值信号的输出。

进一步的，所述工作晶振单元包括设置于所述石英晶片基底上下表面的工作电极、设置于工作电极上的感湿薄膜以及设置于所述石英晶片基底上下两面并连接所述工作电极的电极外延区；

所述参比晶振单元包括设置于所述石英晶片基底上下表面的参比电极以及设置于所述石英晶片基底上下两面并连接所述参比电极的电极外延区；进一步的，所述晶振单元电极的材料为金电极或银电极。

进一步的，所述感湿薄膜的材料包括氧化石墨烯、石墨炔、碳纳米管、壳聚糖以及纤维素中的任一种。

进一步的，所述测温单元中的测温元件为铂电阻。

进一步的，所述石英晶片基底为圆片状，所述工作电极与所述参比电极表面均为圆形；所述铂电阻位于所述工作电极与所述参比电极的圆心中垂线靠近基底中心位置处，其长度方向与所述工作电极和所述参比电极的圆心连线平行。

进一步的，所述绝缘层的材料为氮化硅。

进一步的，所述工作电极与所述参比电极相对于所述石英晶片基底的圆心中心对称分布于所述石英晶片基底两侧半圆的居中位置。

进一步的，所述测温元件两侧的所述引线外延区不遮挡所述石英晶片基底的中心轴线。

本发明还涉及一种双通道谐振式温湿度传感系统：包括上述的一种双通道谐振式温湿度传感器芯片，还包括双通道驱动电路、温度测量电路以及温频补偿湿度测量电路，所述双通道驱动电路的第一通道与所述工作电极的外延区连接，所述双通道驱动电路的第二通道与所述参比电极的外延区连接，使得石英晶片通过自身的压电效应产生谐振；所述温度测量电路与温湿度传感芯片中的测温单元引线电极外延区连接以测量所述电阻；所述温频补偿湿度测量电路分别与所述工作电极的电极外延区以及所述参比电极的电极外延区连接。

本发明还涉及一种双通道谐振式温湿度传感器芯片的加工方法，用于加工述的一种双通道谐振式温湿度传感器芯片，包括以下步骤：

石英晶体的加工制作：对于芯片基底的加工工艺采用机械加工的方式，使用X射线对石英晶棒进行测角定向后切割成石英晶片，对切割后的石英晶片研磨，并进行尺寸和外形的加工，完成芯片基底的加工。

晶振单元的加工制作：在厚度切变的石英晶片上，利用蒸镀工艺在上下两个表面进行所述工作晶振单元与所述参比晶振单元的加工处理，所述工作电极与所述参比电极由镀有圆形的金或银电极构成，每一面的所述工作电极与所述参比电极镀有用来引线用的电极外延区；将制备好的感湿材料沉积在所述工作电极上，形成感湿薄膜；

测温单元的加工制作：将铂电阻通过MEMS工艺沉积在石英晶片的非电极区，铂电阻的两端分别沉积一块引线板作为引线外延区，并在铂电阻表面涂敷一层绝缘材料。

本发明提出的一种双通道谐振式温湿度传感器芯片及加工方法，在谐振式温湿度测量方法和敏感电路式温湿度测量方法中，可以作为一种同时具有温频补偿功能的温湿度传感器芯片被使用。本发明所提供的这种芯片不仅可以利用石英晶片谐振特性或电特性对环境温湿度进行测量传感，又可以在测量识别的同时做到温度补偿，消除温度对石英晶片的谐振或电特性影响。本发明提出的传感原理及实现方法，工作晶振单元、参比晶振单元与测温单元分别处于三个不同的工作电路中，避免了各个单元对其他单元的工作影响，保障了各个单元独立工作的可靠性。本发明提出的制备工艺，工作晶振单元与参比晶振单元在制备时并没有重叠交叉区域，保证了两个晶振单元的正常工作；铂电阻通过MEMS工艺沉积在石英晶片非电极区，避免了由于铂电阻与石英晶片的刚性接触方式所带来的影响振动特性以及温度梯度分布的问题，可以实现温湿度的高精度测量。该发明可以为谐振式温湿度测量仪器的产业化提供一种高精度、集成化、易更换的核心温频补偿温湿度芯片，其制备工艺与使用方法低廉简便。

附图说明

图1为本发明实施例一中一种双通道谐振式温湿度传感器芯片的结构示意图。

图2是本发明实施例二中一种双通道谐振式温湿度传感系统的结构示意图。

图3是本发明实施例三中一种双通道谐振式温湿度传感器芯片的加工方法的流程图。

图中：石英晶片基底100、工作电极201、电极外延区202、感湿薄膜203、参比电极301、电极外延区302、测温元件401、引线外延区402、绝缘层403、双通道驱动电路501、温频补偿湿度测量电路502、温度测量电路503。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

一种双通道谐振式温湿度传感器芯片，请参阅图1，包括：石英晶片基底100，在基底上形成的两个晶振单元与测温单元，两个晶振单元包括工作晶振单元与参比晶振单元，其中：

工作晶振单元包括设置于石英晶片基底100上下表面的工作电极201、设置于工作电极201上的感湿薄膜203以及设置于石英晶片基底100上下两面并连接工作电极201的电极外延区202；参比晶振单元包括设置于石英晶片基底100上下表面的参比电极301以及设置于石英晶片基底100上下两面并连接参比电极301的电极外延区202；测温单元包括测温元件401、引线外延区402以及绝缘层403，其中，引线外延区402连接测温元件401的两端；绝缘层403覆盖测温元件401和引线外延区402；工作晶振单元与参比晶振单元分别在驱动电路激励下产生振动，以进行幅值信号与频率信号的输出，测温单元进行阻值信号的输出。

晶振单元电极的材料为金电极或银电极。感湿薄膜203的材料包括氧化石墨烯、石墨炔、碳纳米管、壳聚糖以及纤维素中的任一种。测温单元中的测温元件401为铂电阻。石英晶片基底100为圆片状，工作电极201与参比电极301表面均为圆形；绝缘层403的材料为氮化硅。

对于本实施例中可选地一些尺寸设计，详细的位置分布如图1所示。工作电极201与参比电极301的直径尺寸约为石英晶体直径的1/4，工作电极201与参比电极301相对于石英晶片基底100的圆心中心对称分布于石英晶片基底100两侧半圆的居中位置，铂电阻位于工作电极201与参比电极301的圆心中垂线靠近基底中心位置处，其长度方向与工作电极201和参比电极301的圆心连线平行。

工作电极201一侧外延区与其同侧的参比电极301外延区202各自沿基底直径方向，向外延伸至基底边缘，用于同外部驱动电路的连接。背面的工作电极201外延区与其参比电极301外延区202分别与正面的外延区方向成一定角度(约60°)，向外延伸至基底边缘，用于同外部驱动电路的连接。铂电阻两侧引线外延区402与铂电阻长度方向成一定角度(约60°)，向同一侧且与背面电极外延区202反方向一侧延伸至基底边缘，用于同外部测量电路的连接。工作电极201一侧外延区与其同侧的参比电极301外延区202各自沿基底直径方向，向外延伸至基底边缘，用于同外部驱动电路的连接。背面的工作电极201外延区与其参比电极301外延区202分别与正面的外延区方向成一定角度(约60°)，向外延伸至基底边缘，用于同外部驱动电路的连接。铂电阻两侧引线外延区402与铂电阻长度方向成一定角度(约60°)，向同一侧且与背面电极外延区202反方向一侧延伸至基底边缘，用于同外部测量电路的连接。

感湿薄膜203为与工作电极201的同心圆形状，直径略小于工作电极201。绝缘层403覆盖整个测温单元。石英晶片厚度、工作电极201厚度、参比电极301厚度根据湿度频率测量需求确定，铂电阻长度与宽度根据温度测量需求确定。测温元件401两侧的引线外延区402不遮挡石英晶片基底100的中心轴线，中心轴线方向是用来传感器走气的方向，以避免妨碍石英晶片基底100的工作。

实施例二

如图2所示，一种双通道谐振式温湿度传感系统，系统包括：双通道驱动电路501、温频补偿湿度测量电路502、温度测量电路503以及上述实施例一种的双通道谐振式温湿度传感器芯片。其中，双通道驱动电路501模块、温频补偿湿度测量模块分别同时与温湿度传感芯片中的工作电极201的外延区、参比电极301的外延区连接，连接方式可选地为焊接。温度测量模块与温湿度传感芯片中的测温单元的引线电极外延区202连接，连接方式可选地为焊接。

其中，双通道驱动电路501的第一通道与工作电极201的外延区连接，双通道驱动电路501的第二通道与参比电极301的外延区连接，使得石英晶片通过自身的压电效应产生谐振；温度测量电路503与温湿度传感芯片中的测温单元引线电极外延区202连接以测量电阻；温频补偿湿度测量电路502分别与工作电极201的电极外延区202以及参比电极301的电极外延区202连接。

一种双通道谐振式温湿度传感系统的传感原理为，所述芯片暴露于实际待测环境中，在驱动电路激励下两个晶振单元产生振动，振动频率随待测环境的变化而变化；测温单元接入外部测温电路中，铂电阻阻值随待测环境温度的变化而变化。通过工作晶振单元与参比晶振单元的差频(频率差值)测量环境湿度，通过铂电阻阻值测量环境温度。

晶振单元在受到外部质量变化(如吸收环境中水汽造成的质量增加等情况)以及温度变化时，其自身振动频率都会根据外部质量与温度的不同而产生相应的变化。与外部质量变化的具体关系式如式1所示：

式中：Δf

Δm——外部质量变化；

f

M——石英晶片质量。

与温度变化的具体关系式如式2所示：

Δf

式中：Δf

f

T——环境温度；

T

a

温频补偿功能的实现方式具体为，所述工作晶振单元中的感湿薄膜203吸收实际待测环境中的水汽，引起电极上的质量变化从而导致工作晶振单元的振动频率发生变化，同时工作晶振单元的振动频率也会随温度变化而变化，工作晶振单元的具体变化量Δf

Δf

所述参比晶振单元不会吸收实际待测环境中的水汽，其振动频率仅随温度变化而变化，参比晶振单元具体变化量Δf

Δf

通过采集工作晶振单元与参比晶振单元的振动频率信号并做差值处理，得出两个单元的差频Δf

Δf

此差频即为外部质量变化单独引起的晶振单元频率变化Δf

铂电阻阻值变化关系如式6所示：

式中：R——铂电阻的阻值；L——铂电阻的长度；S——铂电阻的截面积；

ρ——铂电阻的电阻率。

其中电阻率ρ会随温度的变化而变化，从而造成铂电阻阻值的变化，通过这个现象来实现温度的测量传感。

作为优选的实施方式，所述工作晶振单元与参比晶振单元采用的是双通道激励，同一驱动电路高频交替对两个晶振单元进行激振，其目的是避免两个晶振单元之间的机械-电磁干扰。

实施例三

如图3所示，本发明还涉及一种双通道谐振式温湿度传感器芯片加工方法，用于加工实施例一的一种双通道谐振式温湿度传感器芯片，包括以下步骤：

S1石英晶体的加工制作：对于芯片基底的加工工艺采用机械加工的方式，使用X射线进行测角定向，将完成测角定向的石英晶棒切割成石英晶片，之后研磨切割后的石英晶片，按照设计要求对晶片进行尺寸和外形的加工，最后清洗石英晶片，完成芯片基底的加工。

S2晶振单元的加工制作：在厚度切变的石英晶片上，利用蒸镀工艺在上下两个表面进行晶振单元(包括工作晶振单元与参比晶振单元)的加工处理，工作电极201与参比电极301分别由镀有圆形的金或银电极构成，每一面的工作电极201与参比电极301都会镀有用来引线用的电极外延区202，外部的驱动电路通过与电极外延区202接触使得石英晶片通过自身的压电效应产生谐振。针对工作晶振单元单独再进行感湿薄膜203的制备，将制备好的感湿材料沉积在工作晶振单元的电极上，形成感湿薄膜203，用于吸收环境中的水分。

S3测温单元的加工制作：将铂电阻通过MEMS工艺沉积在石英晶片的非电极区，铂电阻的两端分别沉积一块引线板用来连接外部测温电路，并在铂电阻表面涂敷一层绝缘材料避免由于测量湿度时表面的水分凝露导致铂电阻与石英电极区短路。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。