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专利号: 2019113061843
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-06-03
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种具备自我诊断功能的湿度传感器芯片,传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块;湿度敏感模块包括湿度敏感材料;其特征在于:湿度敏感模块存在两种不同的随着湿度敏感材料含水率变化而变化的物理性质A和B,物理性质A和B均与湿度敏感材料的含水率密切相关,均能够分别用于检测环境空气中的湿度;

湿度传感器芯片在自我诊断过程中,无需凭借湿度传感器芯片自身以外的任何外在的参照标准,仅仅利用自身的物理性质A和B而实现自我诊断;

自我诊断功能所利用的物理机制为:对于同一个湿度传感器,在同一次测量中,根据物理性质A测量得到的结果与根据物理性质B测量得到的结果,两个测量值之间存在一定的偏差,并且,偏差会随着湿度传感器的使用时间/在役时间增加而越来越大。

2.一种具备自我诊断功能的湿度传感器芯片,传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块;湿度敏感模块包括湿度敏感材料;其特征在于:测量电路模块同时测量湿度敏感模块的两种不同的物理性质,两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化;测量电路模块用于将测量得到的湿度敏感模块的两种不同的物理性质的测量结果传输至微处理单元MCU;

存储模块中存储有标准参数库,标准参数库中记录有湿度敏感模块的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线;

微处理单元MCU根据测量得到的湿度敏感模块的两种不同的物理性质的测量结果,以及标准参数库中的标准曲线,分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b;

自我诊断功能所利用的物理机制为:环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b之间存在一定偏差,且偏差会随着湿度传感器的使用时间/在役时间增加而越来越大。

3.如权利要求2所述的传感器芯片,其特征在于:标准参数库中同时记录有湿度敏感模块的物理性质A随着含水率变化而变化的标准函数曲线fA(m)、湿度敏感模块的物理性质B随着含水率变化而变化的标准函数曲线gB(m);其中,m表示湿度敏感材料含水率;

微处理单元MCU根据上述测量得到的湿度敏感模块的物理性质A和物理性质B的测量结果,对标准参数库中记录的湿度敏感模块的物理性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线fA(m)、gB(m)分别进行索引,比较、运算,分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b。

4.如权利要求3所述的传感器芯片,其特征在于:微处理单元MCU根据得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b进行自我诊断,判别湿度传感器芯片是否存在故障,或性能老化,输出判别结果;

若微处理单元MCU输出判别结果为否,则:环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出;

若微处理单元MCU输出判别结果为是,则:微处理单元MCU输出警告信息,警告信息表示为湿度传感器芯片存在故障,或性能已老化,提示需要检修或更换。

5.如权利要求3所述的传感器芯片,其特征在于:标准函数曲线fA(m)中包含有I个数据,分别为fA(m1)、fA(m2)、fA(m3)、……fA(mi)……、fA(mI‑2)、fA(mI‑1)、fA(mI),i表示标准函数曲线fA(m)中第i个数据;

标准函数曲线gB(m)中包含有J个数据,分别为gB(m1)、gB(m2)、gB(m3)、……gB(mj)、……gB(mJ‑2)、gB(mj‑1)、gB(mJ),j表示标准函数曲线gB(m)中第j个数据;

其中,I等于J,或I不等于J。

6.如权利要求5所述的传感器芯片,其特征在于:微处理单元MCU包括计算功能模块,计算功能模块执行如下计算功能:根据测量得到的结果分别得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b,具体为:

微处理单元MCU根据测量得到的湿度敏感模块的物理性质A的测量值,在标准函数曲线fA(m)中索引、比较,得到标准函数曲线fA(m)中与物理性质A的测量值最邻近的值fA(mi)以及次最邻近的fA(mi‑1)或fA(mi+1);

微处理单元MCU根据测量得到的湿度敏感模块的物理性质B的测量值,在标准函数曲线gB(m)中索引、比较,得到标准函数曲线gB(m)中与物理性质B的测量值最邻近的值gB(mj)以及次最邻近的gB(mj‑1)或gB(mj+1);

微处理单元MCU根据索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值a:当fA(mi)为最邻近值、fA(mi+1)为次最邻近值时,a=(mi+1‑mi)[A‑f(mi)]/[fA(mi+1)‑fA(mi)]+mi;或,

当fA(mi)为最邻近值、fA(mi‑1)为次最邻近值时,a=(mi‑mi‑1)[A‑f(mi‑1)]/[fA(mi)‑fA(mi‑1)]+mi‑1;

微处理单元MCU根据索引、比较结果进行计算环境空气湿度参考值b:当gB(mj)为最邻近值、gB(mj+1)为次最邻近值时,b=(mj+1‑mj)[B‑g(mj)]/[gB(mj+1)‑gB(mj)]+mj;或,

当gB(mj)为最邻近值、gB(mj‑1)为次最邻近值时,b=(mj‑mj‑1)[B‑g(mj‑1)]/[gB(mj)‑gB(mj‑1)]+mj‑1;

其中,非下标的A即表示物理性质A的测量值,非下标的B即表示物理性质B的测量值;下标的A即表示物理性质A,下标的B即表示物理性质B。

7.如权利要求2‑6任一项所述的湿度传感器芯片,其特征在于:微处理单元MCU包括判别功能模块,判别功能模块执行如下判别功能:微处理单元MCU中的判别功能模块根据计算得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b进行自我诊断、判别湿度传感器芯片是否存在故障、或性能老化,具体实现为:预设第一判别阈值,计算前述环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的差的绝对值;

判别环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的差的绝对值是否大于预设的第一判别阈值;

若差的绝对值小于预设的第一判别阈值,则:环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出,且表示湿度传感器芯片工作正常;

若差的绝对值等于或大于预设的第一判别阈值,则:微处理单元MCU进一步输出警告信息,警告信息表示为湿度传感器芯片存在故障,或性能已老化,提示需要检修或更换。

8.如权利要求7所述的传感器芯片,其特征在于:微处理单元MCU中的判别功能模块还预设有第二判别阈值,第二判别阈值大于第一判别阈值;

若差的绝对值小于预设的第一判别阈值,则:环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出,且表示湿度传感器芯片工作正常;

若差的绝对值等于或大于预设的第一判别阈值且小于第二判别阈值,则:微处理单元MCU输出警告信息,警告信息表示为湿度传感器芯片可能存在故障,或性能已轻微老化,推荐检修或更换;

若差的绝对值等于或大于预设的第二判别阈值,则:微处理单元MCU输出错误信息,错误信息表示为湿度传感器芯片存在故障,或性能已严重老化,必须检修或更换。

9.如权利要求2‑6任一项所述的湿度传感器芯片,其特征在于:测量电路模块在测量时,向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设频率的交流激励信号,测量湿度敏感模块的湿度敏感模块的电容值;

存储模块中存储有标准参数库,标准参数库中记录有传感器芯片的湿度敏感模块的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化的标准曲线;

标准参数库中还记录有传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化的标准曲线。

10.一种具备自我诊断功能的湿度传感器芯片,传感器芯片集成有湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块;其特征在于:上电极位于衬底材料的正面;下电极位于衬底材料的背面;湿度敏感材料制备在衬底的正面上,上电极制备在湿度敏感材料之上,衬底材料为石英薄片;

上电极、湿度敏感材料、石英薄片和下电极构成电容器结构,该电容器具备如下特性:I.其电容值敏感依赖于环境空气的湿度;

II.在该电容器被施加一定频率的交流电激励信号时,发生机械振荡,且机械振荡的谐振频率敏感依赖于环境空气的湿度;

自我诊断功能所利用的物理机制为:上述I、II特性中分别对应的两个湿度参考值之间存在一定偏差,且偏差会随着湿度传感器的使用时间/在役时间增加而越来越大。

11.如权利要求10所述的传感器芯片,其特征在于:测量电路模块在测量时,包括如下两个测量步骤:(1)向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设固定频率的交流激励信号,测量湿度敏感模块的湿度敏感模块的电容值;

(2)向湿度敏感模块的上电极和下电极施加预设频率范围内的频率变化的交流激励信号,测量传感器芯片的谐振频率。

12.如权利要求10‑11任一项所述的传感器芯片,其特征在于:湿度敏感模块同时具备如下两个特性:(1)其电容值敏感依赖于环境空气的湿度;

(2)在该电容器被施加一定频率的交流电激励信号时,会发生机械振荡,且机械振荡的谐振频率敏感依赖于环境空气的湿度。

13.如权利要求10‑11任一项所述的传感器芯片,其特征在于:两种不同的物理性质,分别为:湿度敏感模块中的电容值c,传感器芯片的谐振频率f;

这里,湿度敏感模块中的电容值c随着湿度敏感材料含水率m变化而变化,传感器芯片的谐振频率f随着湿度敏感材料含水率m变化而变化。

14.一种湿度传感器芯片的自我诊断方法,传感器芯片集成有湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块;其特征在于,湿度敏感模块包括湿度敏感材料;

湿度敏感模块存在两种不同的物理性质A和B随着湿度敏感材料含水率变化而变化,这两种物理性质均与湿度敏感材料的含水率密切相关,均可以分别用于检测环境空气中的湿度;

自我诊断方法包括如下步骤:

(1)通过测量电路模块测量得到的湿度敏感模块的两种不同的物理性质A和B的测量结果,并将测量结果传输至微处理单元MCU;

(2)微处理单元MCU根据上述测量得到的湿度敏感模块的物理性质A和物理性质B的测量结果,对存储模块中的标准参数库中记录的湿度敏感模块的物理性质A和物理性质B分别随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线fA(m)、gB(m)分别进行索引,比较、运算,分别得到所要测量的环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b:(3)微处理单元MCU根据得到环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b进行自我诊断,根据湿度参考值a与湿度参考值b之间的差值来判别湿度传感器芯片是否存在故障,或性能老化,输出判别结果。

15.根据权利要求14所述的自我诊断方法,其特征在于:存储模块中存储有标准参数库,标准参数库中记录有湿度敏感模块的两种不同的物理性质随着湿度敏感材料含水率变化而变化的标准曲线;

两种不同的物理性质分别以A、B来表示,即标准参数库中同时记录有湿度敏感模块的物理性质A随着含水率变化而变化的标准函数曲线fA(m)、湿度敏感模块的物理性质B随着含水率变化而变化的标准函数曲线gB(m);其中,m表示湿度敏感材料含水率。

16.根据权利要求14所述的自我诊断方法,其特征在于:在步骤(3)中,若微处理单元MCU输出判别结果为否,则:环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出;

若微处理单元MCU输出判别结果为是,则:微处理单元MCU输出警告信息,警告信息表示为湿度传感器芯片存在故障,或性能已老化,提示需要检修或更换。

17.根据权利要求14所述的自我诊断方法,其特征在于:在步骤(3)中,预设第一判别阈值,计算前述环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的差的绝对值;

判别环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的差的绝对值是否大于预设的第一判别阈值;

若差的绝对值小于预设的第一判别阈值,则:环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出,且表示湿度传感器芯片工作正常;

若差的绝对值等于或大于预设的第一判别阈值,则:微处理单元MCU进一步输出警告信息,警告信息表示为湿度传感器芯片存在故障,或性能已老化,提示需要检修或更换。

18.根据权利要求14所述的自我诊断方法,其特征在于:在步骤(3)中,还预设有第二判别阈值,第二判别阈值大于第一判别阈值;若差的绝对值小于预设的第一判别阈值,则:

环境空气湿度参考值a和环境空气湿度参考值b的均方根值或平均值作为结果输出,且表示湿度传感器芯片工作正常;

若差的绝对值等于或大于预设的第一判别阈值且小于第二判别阈值,则:微处理单元MCU输出警告信息,警告信息表示为湿度传感器芯片可能存在故障,或性能已轻微老化,推荐检修或更换;

若差的绝对值等于或大于预设的第二判别阈值,则:微处理单元MCU输出错误信息,错误信息表示为湿度传感器芯片存在故障,或性能已严重老化,必须检修或更换。