一种非接触式温湿度传感器及检测方法与流程

本发明属于传感器技术领域，涉及无源传感器，具体涉及一种非接触式温湿度传感器及检测方法。

背景技术：

温度和湿度一直是人们关心的比较重要的环境因素，在物理化学实验和物质生产活动中也较为重要。因此，温湿度传感器的应用很是广泛，在工农业生产，冷链物流、食品保鲜，健康护理、可穿戴设备、环境监测等诸多场合都有所应用。然而，在某些特殊情况下，有线有源温湿度传感器会有一些问题和挑战。比如密闭容器中测量温湿度，如果采用有线有源传感器则需要采用打孔方式进行测量，这种方式并不能保证密闭容器的气密性；在油漆或者染料车间中，往往会存在对人体有害的气体如甲醛等，这类气体同时也容易造成有线有源传感器线路老化，因而需要频繁的对线路进行维护，从而增加工人暴露在危险中的可能性。传统的有线有源温湿度传感器不仅有工作效率低，布线复杂，维护成本高以及能耗高等问题。此外，传统的传感器通常是刚性的，不能轻易变形。而现有的柔性传感器检测温度、压力、应变、湿度、位置等一次只能监测一个刺激。

lc传感器由谐振电路和外部读出装置两部分组成，谐振回路主要由电容元件、电阻元件和电感线圈组成。不同的温湿度造成传感器环境敏感元件的电容、电阻产生相应变化，从而造成谐振频率和阻抗的变化，分析读出端阻抗与频率曲线，可以根据外部扫频源与发生了电感耦合的扫描频率一致时出现共振现象推断出谐振电路的频率以及阻抗实部的幅值，从而实现对传感器信号的无线检测。lc传感器的设计较为简单，设备和材料便宜，结构简单，设计灵活，性能稳定，功耗较低，反映传感器信息的频谱可以给出传感器多方面的信息，使其在功能设计以及多参数设计上有很大前景。

在国内外已公开了一些利用lc无线无源技术设计的温度或湿度传感器。如：(1)中北大学等吕文设计了一种基于mos2/pi(聚酰亚胺)的lc无线无源湿度传感器(吕文,谭秋林.一种用于湿度监测的lc无线无源传感器的制备与测试[j].微纳电子技术,2019,56(3)：211-217)；(2)东南大学张聪设计了一种以石墨烯和聚酰亚胺为敏感材料的lc无线无源湿度传感器(张聪，lc型无源无线湿度传感器理论与实验研究，2014年博士论文)；(3)中北大学吕文等设计了一种基于二维硫化物材料的lc无线无源湿度传感器研究(吕文，基于二维硫化物材料的lc无线无源湿度传感器研究[d].山西：中北大学仪器科学与技术.2019)；(4)重庆大学罗涛等研制出基于铁电陶瓷的lc温度传感器(罗涛,谭秋林,魏坦勇,熊继军.无源lc传感器研究现状与发展趋势综述[j].传感器与微系统,2014,33(9)：11-14.)；上述研发的lc无线无源传感材料存在的问题主要包括：导致其响应时间过长；检测范围过窄；吸附时间和脱附时间过长导致相应时间过慢。此外，目前涉及的lc无源无线传感器只能检测温度或湿度一种参数。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种非接触式温湿度传感器及检测方法，该传感器可以在危险或者特殊条件下正常运行，同时监测温度和湿度，具有制造工艺简单，线性度好，灵敏度高，电路简单，能耗低，寿命长等优点。

pedot：pss是由pedot和pss两种物质构成高分子聚合物水溶液。pedot(聚乙烯二氧噻吩)是edot(3，4-乙烯二氧噻吩单体)为单体的高分子聚合物，pss是聚苯乙烯磺酸盐。由于pss链和水分的快速反应，pedot：pss能够对外界湿度变化做出响应。并且该高分子复合材料的电导率对温度变化也比较敏感。所以该复合材料可以作为环境信息敏感元件制成温湿度传感器。pedot：pss这种高分子聚合物具有高透光性、高延展性、良好的力学性能、较好的生物兼容性、极好的稳定性和溶液可加工性。20世纪80年代拜耳公司开发出的peodt的电导率可以达到100s/cm以上。但是，纯pedot本身不溶于水并且不能熔化。所以它的应用有很多局限性。pss是一种水溶性聚合物，将edot单体与pss进行掺杂聚合，pss不仅可以起到掺杂剂的作用，还可以保证电荷的稳定性，形成性能稳定pedot：pss水分散体(pedot：pss在水中形成深蓝色的胶体分散液)，由此制得的pedot：pss薄膜具有较高的电导率。然而，纯pedot：pss从本质上来说是刚性的，很薄很脆，其断裂应变小于10％，并且，对无触点湿度(约0.2％/％rh)和温度(约0.1％/℃)的灵敏度非常低，表明需要进一步的结构或分子工程来实现具有高延展性、高性能的无触点传感。

对纯pedot：pss进行改性处理，在xsb乳胶薄膜中使用pedot：pss通过蒸发诱导组装的方法组装成一种三维可分离结构，从而形成一种新型的导电高分子材料pedot：pss/latex，其具有高性能的无触点传感和高达340％的延展性(zhiyongwang,taowang,mengdizhuang,andhangxunxu.stretchablepolymercompositewitha3dsegregatedstructureofpedot:pssformultifunctionaltouchlesssensing[j].acsappl.mater.interfaces2019,11,45301-45309)。

改性处理后的pedot：pss材料具有混合离子/电子导电性以及对湿度和温度的固有响应能力。本发明基于该特性设计研发基于电阻电容式环境敏感元件——非接触式温湿度传感器，使其具有较快的响应速度、较高的灵敏度、较低的检出限、较宽的线性范围和较好的选择性和稳定性，在无触点柔性传感方面上具有很好的应用价值。

为达到上述目的，本发明提供的非接触式温湿度传感器，其包括叉指电容、电阻、螺旋电感以及柔性基板，所述柔性基板上开设有用于安装电阻的通孔，所述叉指电容和螺旋电感分别安装于柔性基板的两侧面，所述电阻安装于通孔中，所述叉指电容、电阻、螺旋电感串联连接。

上述非接触式温湿度传感器，叉指电容作为温湿度传感器的环境敏感元件，电容对温度的变化大致成单向线性关系。叉指电容可以采用本领域所常用的温湿度敏感材料制成。在本发明中，所述叉指电容优选采用具有三维隔离结构的pedot：pss/latex纳米乳胶膜制成温度敏感电容，该种材料制成的电容对温度的变化大致成单向线性关系。在谐振电路中，产生一个谐振频率，通过监测读出端阻抗实部的共振频率可以实现温度的监测。进一步地，所述柔性基板开设有用于安装叉指电容的凹槽，所述叉指电容安装于凹槽中。

上述非接触式温湿度传感器，在谐振电路部分，电阻也是很重要的组成元件。电阻可以采用本领域所常用的温湿度敏感材料制成。本发明中，所述电阻优选采用具有三维隔离结构的pedot：pss/latex纳米乳胶膜制成。进一步优选pedot：pss含量为1.6wt％的pedot：pss/latex纳米乳胶膜。pedot：pss/latex纳米乳胶膜材料在温湿度的作用下，会发生变形，电导率也会有所改变。当温度和湿度保持不变时，材料的长度，横截面积和电导率不变。通过监测阻抗实部的共振频率，可以推断出环境温度，随后监测阻抗实部的幅值，进一步确定环境湿度。

上述非接触式温湿度传感器，螺旋电感不但是本发明中谐振电路的组成元件，还是与外部线圈发生电感耦合并传递数据的重要部分。所述螺旋电感采用金属铜制作而成，进一步优选为方形螺旋电感。

上述非接触式温湿度传感器，所述柔性基板可以采用本领域常用柔性材料制作而成，本发明中，优选采用硅制作而成。

本发明提供的一种非接触式温湿度的检测方法，使用前述的非接触式温湿度传感器进行温度和湿度的检测，包括以下步骤：

(1)温度检测

①确定叉指电容的电容值随温度的变化关系c(x)；

②确定叉指电容的电容值与谐振频率f的关系式：

③依据与传感器匹配的外部读出装置，读出谐振频率f，结合步骤①和②得到检测温度值；

(2)湿度检测

①确定电阻的电阻值随温度和湿度的变化关系r(x，y)；

②确定外部读出装置的阻抗实部的幅值与传感器的品质因素的关系式：

其中：re(max)为输出端阻抗实部的幅值，r为外部读出装置的电阻，f为传感器的谐振频率，l为外部读出装置的电感，k为耦合系数，q为品质因素，

③由步骤①和步骤②结合得到以下关系式：

re(max)＝y(q(r(x，y)，f))

④将外部读出装置读出的谐振频率f、输出端阻抗实部的幅值re(max)，及步骤(1)得到温度值代入步骤③，得到检测湿度值。

本发明提供的非接触式温湿度传感器及检测方法具有以下有益效果：

1.本发明的非接触式温湿度传感器，通过在柔性基板上设置串联的叉指电容、电阻以及螺旋电感，利用lc无线无源传感技术实现温度和湿度的同时监测，具有线性度好、灵敏度高、电路简单、能耗低等优点；

2、本发明的非接触式温湿度传感器为柔性基板，体积较小，结构简单，尺寸可仅在1mm左右，便于安装，很容易地连接到各种表面，非常适合用于可穿戴设备和便携式电子产品，也可以在危险或者特殊条件下正常运行。

3.进一步的，本发明充分利用具有三维隔离结构的pedot：pss/xsb乳胶膜对湿度和温度的固有响应能力，使本发明的传感器拥有较快的响应速度和恢复时间，较高的灵敏度和较宽的温湿度检测范围。

附图说明

图1为本发明非接触式温湿度传感器爆炸示意图；

图2为本发明非接触式温湿度传感器结构示意图；

图3为本发明非接触式温湿度传感器的电路原理图；

图4为外部读出装置与本发明非接触式温湿度传感器发生电感耦合的电路原理图；

附图标记说明：1、叉指电容；2、电阻；3、柔性基板；4、螺旋电感。

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

本实施例中，非接触式温湿度传感器如图1-2所示，包括叉指电容1、电阻2、螺旋电感4以及柔性基板3。

柔性基板3的一侧面开设有用于安装叉指电容1的凹槽，同时开设有用于安装电阻2的通孔。叉指电容1安装于凹槽中，螺旋电感4安装于柔性基板3上与叉指电容1所在侧面相对的另一侧面。电阻2安装于通孔中。叉指电容1、电阻2、螺旋电感4串联连接。

在本实施例中，柔性基板3采用硅制作而成。叉指电容1和电阻2均采用具有三维隔离结构的pedot：pss/latex纳米乳胶膜制成。pedot：pss/latex纳米乳胶膜中pedot：pss含量为1.6wt％。螺旋电感4为方形螺旋电感，采用金属铜制作而成。

以下对本发明提供的非接触式温湿度传感器的检测原理进行简要的说明。

当两个线圈构成一个网络时，如果其中一个线圈上的电流或电压发生变化，则通过两个线圈之间的电磁耦合，另一个线圈的电流或电压也会发生相应的变化。这种电磁耦合现象为实现lc无源温湿度传感器的无线检测提供了方法。本实施例中，通过外部读出装置实现对本发明的非接触式温湿度传感器的无线测量。该外部读出装置包括连接的外部检测线圈以及网络分析仪。

如图3所示，叉指电容1、电阻2、螺旋电感4依次串联组成谐振电路。其中螺旋电感4不但是谐振电路的组成元件，还是与外部检测线圈发生电感耦合并传递数据的重要部分。外部读出装置(即输出端)与本传感器发生电感耦合的电路原理图如图4。其中，l为传感器的等效电感，r为传感器的等效电阻，c为传感器的等效电容；l为外部检测线圈的等效电感，r为外部检测线圈的等效电阻。

通过与外部检测线圈发生电感耦合，由网络分析仪分析读出传感器的阻抗与频率曲线，可以根据网络分析仪与发生了电感耦合的扫描频率一致时出现的共振现象得出该传感器的谐振频率以及阻抗实部的幅值，从而实现对传感器信号的检测，实现lc无线无源的功能。

根据上述检测原理对本实施例提供的传感器的温度、湿度检测方法进行进一步的说明如下。

(一)温度检测

叉指电容1的电容值与温度的变化成单向线性关系，通过监测传感器的谐振频率可以实现对叉指电容1电容值的检测，从而得出温度值。

共振频率与电容值的关系如式(1)所示：

其中：f-传感器的谐振频率，l-传感器的电感，c-传感器的电容。

对于一个稳态，湿度和温度一定的环境。假定温度为x，湿度为y。测量不同温度下叉指电容1的电容值，拟合得到叉指电容1的电容值随温度x变化的单调函数c(x)。

传感器的谐振电路会产生一个谐振频率f，谐振频率f与温度的关系如式(2)所示：

上述公式(2)可变换得到式(3)：

谐振频率f可以从外部读出装置读出，所以根据谐振频率的值可以确定唯一一个温度值，从而检测出温度。

(二)湿度检测

电阻2在不同的温湿度作用下会发生变形，电导率也会有所改变，传感器的电阻因此会发生改变。传感器谐振电路中的电阻会影响到谐振电路的品质因素，而谐振电路的品质因素又会影响输出端阻抗实部的幅值。所以通过监测输出端阻抗实部的幅值，就能得出谐振电路的品质因数，进而得出谐振电路的电阻，而电阻是关于温度和湿度的函数，通过前面给出的方法测出温度后，就可以测出湿度值。

在阻抗实部的输出端可以获得输出端阻抗实部的幅值，输出端阻抗实部的幅值与品质因数的关系如式(3)所示：

其中：re(max)为输出端阻抗实部的幅值，r为外部读出装置的电阻，f为传感器的谐振频率，l为外部读出装置的电感，k为耦合系数，q为品质因素。

输出端阻抗实部的幅值re(max)可以从外部读出装置直接读出，因此是已知值，r和l也为已知值。耦合系数k与耦合距离、外部检测线圈有效半径有关，与温湿度无关，由于外部检测线圈的有效半径、耦合距离都可以确定，所以k也是一定值。因此re(max)是关于谐振电路的品质因素q的一元函数，由于q值很小，re(max)是关于q的单调函数，因此可以从已知的阻抗实部的幅值最大值re(max)得出q。

传感器谐振电路的品质因素为：

其中：q为品质因素，l为传感器电路的电感，f为传感器电路的谐振频率，r为传感器电路的电阻。

电阻值受到温度和湿度的影响，故设电阻值与温度x和湿度y的函数关系式为r(x，y)。品质因素q与温度温度x、湿度y如式(6)所示：

由公式(4)和公式(6)得到：

re(max)＝y(q(r(x，y)，f))(7)。

测量不同温度、湿度下的电阻2的电阻值，经曲面拟合可以得到电阻2的电阻值随温度x和湿度y变化的函数r(x，y)。

输出端阻抗实部的幅值re(max)、谐振频率f可以从外部读出装置直接读出，温度x也由前面给出的方法测出，由此可以唯一确定一个湿度，由此确定出湿度。

通过监测阻抗实部的共振频率，可以得到环境温度，随后监测阻抗实部的幅值，进一步确定环境湿度，达到同时测量温度和湿度的功能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。