CN117705199A - 一种高性能mems温湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温湿度传感器技术领域，提出了一种高性能MEMS温湿度传感器，包括：温度检测件、湿度检测件和信号处理模块。本发明通过设置包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容的半导体湿度检测结构，利用窄电极检测电容实现实时快速的湿度值检测与输出，再利用宽电极检测电容获得的精准度更高的湿度值对其进行校正，由此，获得兼顾响应速度和精准度的环境湿度值；同时，通过设置加热层对湿度检测电容层进行加热，一方面消除聚集水汽对温湿度传感器检测的影响，另一方面，提高了湿度检测上限值；提供了一种高检测精度、高反应速度、适应非理想环境以及湿度检测上限值更高的温湿度检测方案。

Description

一种高性能MEMS温湿度传感器

技术领域

本发明涉及温湿度传感器技术领域，尤其是一种高性能MEMS温湿度传感器。

背景技术

温湿度传感器是一类能检测环境温湿度并转换成输出信号的传感器，是应用最广泛的一类传感器。在一类温湿度传感器的湿度检测实现中，采用在电容的两个电极之间设置湿敏器件，利用湿敏器件在感知环境湿度时洗后环境中的水汽分子调节电容的容值，根据容值的变化生成环境的湿度值，但该类温湿度传感器目前具有以下缺陷：

（1）无法同时满足湿度检测精准度和湿度检测反应速度的要求，通常，为了保证湿度检测精准度，将会采用更宽的电极构成湿度检测电容，由于湿度检测电容基于两电极之间湿敏器件的介质变化来实现电容变化以此表征湿度值，更宽的电极将使得湿度检测电容的检测结果稳定性和准确性更高，不容易受到外界干扰误差的影响，但随之带来的缺陷是：更宽的电极将会导致两电极之间湿敏器件受环境湿度影响的介质变化速度更为缓慢，进而导致湿度检测的延迟性较高。即，湿度检测精准度和湿度检测反应速度无法同时做到较高水平。

（2）在非理想环境下的湿度检测时，湿度检测电容表面会凝聚水汽（例如大棚内的湿度检测需求），该凝聚水汽无法在短时间内蒸发消除，将会导致湿度检测电容无法检测到真实的空气湿度，影响非理想环境下的湿度检测准确性。

（3）在湿度较大的极端环境下，湿度检测电容检测到的电容达到了饱和值，进而根据饱和电容值生成的湿度值上限受到限制，导致最终在较大湿度环境下生成的湿度值失真。

因此，如何提供一种高检测精度、高反应速度、适应非理想环境以及湿度检测上限值更高的温湿度传感器，是一个亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供一种高性能MEMS温湿度传感器，旨在解决现有技术中的温湿度传感器在进行湿度检测时的检测精度、反应速度、适应性以及检测上限值不够理想的问题。

本发明提供了一种高性能MEMS温湿度传感器，包括：

温度检测件，所述温度检测件具有半导体温度检测结构，被配置为感知目标区域温度，输出所述目标区域温度对应的温度电压信号；

湿度检测件，所述湿度检测件具有半导体湿度检测结构，所述半导体湿度检测结构包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容，被配置为感知目标区域湿度，输出所述目标区域湿度对应的窄电极湿度电容信号和宽电极湿度电容信号；

信号处理模块，所述信号处理模块被配置为根据所述温度检测件输出的温度电压信号，生成目标区域的温度值，以及根据所述湿度检测件输出的所述宽电极湿度电容信号和所述窄电极湿度电容信号，生成目标区域的湿度值。

可选的，所述半导体温度检测结构，具体包括：

PTAT半导体器件；

其中，所述PTAT半导体器件具有输出电压跟随感知温度成预设比例变化的半导体结构，被配置为感知目标区域温度，输出随所述目标区域温度成预设比例变化的温度电压信号。

可选的，所述信号处理模块，具体包括：

第一模数转换单元，所述第一模数转换单元被配置为对所述温度检测件输出的温度电压信号进行模数转换，获得温度电压值；

温度值生成单元，所述温度值生成单元被配置为根据所述温度电压值和电压值与温度值的第一转换关系，生成目标区域的温度值；其中，所述电压值与温度值的第一转换关系与预设比例变化相对应。

可选的，所述半导体湿度检测结构，具体包括：

硅衬底；

设置于所述硅衬底上的湿度检测电容层；

其中，所述湿度检测电容层包括依次叠层设置的下电极层、湿敏材料层和上电极层；

其中，所述上电极层包括相互独立设置的窄电极层和宽电极层，所述窄电极层与所述下电极层以及之间的湿敏材料层构成所述窄电极检测电容，所述宽电极层与所述下电极层以及之间的湿敏材料构成所述宽电极检测电容。

可选的，所述信号处理模块，具体包括：

电容转换单元，所述电容转换单元被配置为对所述湿度检测件输出的所述宽电极湿度电容信号和所述窄电极湿度电容信号进行电容电压转换，获得宽电极湿度电压信号和窄电极湿度电压信号；

第二模数转换单元，所述第二模数转换单元被配置为对所述宽电极湿度电压信号和所述窄电极湿度电压信号进行模数转换，获得宽电极湿度电压值和窄电极湿度电压值；

湿度值生成单元，所述湿度值生成单元被配置为利用所述宽电极湿度电压值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值，并根据所述湿度电压校正值和电压值与湿度值的第二转换关系，生成目标区域的湿度值。

可选的，其特征在于，所述湿度值生成单元，具体包括：

校正值记录子单元，所述校正值记录子单元被配置为每隔预设时间获取所述窄电极湿度电压值和所述宽电极湿度电压值，根据所述窄电极湿度电压值和所述宽电极湿度电压值的差值，计算获得当前记录时间戳到下一记录时间戳之间的湿度电压校正值，将所述湿度电压校正值与记录时间戳范围进行关联存储；

湿度电压校正子单元，所述湿度值校正子单元被配置为在获取到窄电极湿度电压值时，根据获取时间戳所在记录时间戳范围，匹配所述记录时间戳范围对应的湿度电源校正值，并利用所述湿度电源校正值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值。

可选的，所述半导体湿度检测结构，还包括：

加热层；

其中，所述加热层被配置为具有多晶硅加热电路；

其中，所述多晶硅加热电路设置于所述硅衬底上的隔离层，被配置为对湿度检测电容层进行加热，以消除凝聚水汽和/或附着污物。

可选的，所述湿度值生成单元，还包括：

加热控制子单元，所述加热控制子单元被配置为在湿度检测前，驱动所述多晶硅加热电路对湿度检测电容层执行加热动作；

加热参数获取子单元，所述加热参数获取子单元被配置为获取所述多晶硅加热电路执行加热动作的目标加热参数；

湿度值修正子单元，所述湿度值修正子单元被配置为调用加热参数与湿度值修正比例的对照表，匹配所述目标加热参数对应的湿度值修正比例，利用所述湿度值修正比例对生成的湿度值进行比例修正，获得湿度修正值。

可选的，所述硅衬底，具体包括：

高温复位加热区，所述高温复位加热区被配置为所述窄电极检测电容下对应的隔离层区域，具有第一多晶硅加热电路，所述第一多晶硅加热电路执行针对所述窄电极检测电容的高温复位加热动作；

低温持续加热区，所述低温持续加热区被配置为所述宽电极检测电容下对应的隔离层区域，具有第二多晶硅加热电路，所述第二多晶硅加热电路执行针对所述宽电极检测电容的低温持续加热动作。

可选的，所述信号处理模块，还包括：

高温复位加热控制单元，所述高温复位加热控制单元被配置为在检测到高温复位加热区的窄电极检测电容对应的窄电极湿度电容信号满足复位加热条件时，控制所述第一多晶硅加热电路执行高温复位加热动作；其中，所述复位加热条件为窄电极湿度电容信号进入预设的电容异常值临界区域内，所述高温复位加热动作为驱使第一多晶硅加热电路以第一加热温度加热窄电极检测电容，直至窄电极湿度电容信号离开预设的电容异常值临界区域内；

低温持续加热控制单元，所述低温持续加热控制单元被配置为控制所述第二多晶硅加热电路执行低温持续加热动作；其中，所述低温持续加热动作为驱使第二多晶硅加热电路以第二加热温度持续加热宽电极检测电容；其中，第一加热温度高于所述第二加热温度。

本发明的有益效果在于：提出了一种高性能MEMS温湿度传感器，通过设置包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容的半导体湿度检测结构，利用窄电极检测电容实现实时快速的湿度值检测与输出，再利用宽电极检测电容获得的精准度更高的湿度值对其进行校正，由此，获得兼顾响应速度和精准度的环境湿度值；同时，通过设置加热层对湿度检测电容层进行加热，一方面消除聚集水汽对温湿度传感器检测的影响，另一方面，提高了湿度检测上限值；提供了一种高检测精度、高反应速度、适应非理想环境以及湿度检测上限值更高的温湿度检测方案。

附图说明

图1为本发明高性能MEMS温湿度传感器的原理示意图；

图2为本发明半导体湿度检测结构的其一结构示意图；

图3为本发明半导体湿度检测结构的其二结构示意图。

附图标记：

1-温度检测件；2-湿度检测件；3-信号处理模块；201-硅衬底；202-下电极层；203-湿敏材料层；204-窄电极层；205-宽电极层；206-加热层；207-二氧化硅层；208-氮化硅层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，图1为本发明实施例提供的一种高性能MEMS温湿度传感器的原理示意图。

如图1所示，一种高性能MEMS温湿度传感器，包括：温度检测件1，所述温度检测件1具有半导体温度检测结构，被配置为感知目标区域温度，输出所述目标区域温度对应的温度电压信号；湿度检测件2，所述湿度检测件2具有半导体湿度检测结构，所述半导体湿度检测结构包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容，被配置为感知目标区域湿度，输出所述目标区域湿度对应的窄电极湿度电容信号和宽电极湿度电容信号；信号处理模块3，所述信号处理模块3被配置为根据所述温度检测件1输出的温度电压信号，生成目标区域的温度值，以及根据所述湿度检测件2输出的所述宽电极湿度电容信号和所述窄电极湿度电容信号，生成目标区域的湿度值。

需要说明的是，现有温湿度传感器的湿度检测中，采用在电容的两个电极之间设置湿敏器件，利用湿敏器件在感知环境湿度时调节电容的容值，根据容值的变化生成环境的湿度值，但该类温湿度传感器目前具有：湿度检测精准度和湿度检测反应速度无法同时做到较高水平、湿度检测电容表面的凝聚水汽影响非理想环境下的湿度检测准确性以及湿度较大的极端环境下检测到的湿度值上限受到限制等缺陷。针对现有温湿度传感器在湿度检测精准度和湿度检测反应速度无法同时做到较高水平的问题，本申请通过设置包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容的半导体湿度检测结构，利用窄电极检测电容实现实时快速的湿度值检测与输出，再利用宽电极检测电容获得的精准度更高的湿度值对其进行校正，相比于现有温湿度传感器采用相同宽度的电极作为湿度检测电容的极板所具有的单一效果（侧重于响应速度的窄电极设置或侧重于检测准确性的宽电极设置），本实施例包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容的设置，能够将具有两个侧重方向的独立效果进行整合统一，使得温湿度传感器在快速响应湿度检测的同时，依旧具有较高可靠性与精准度的湿度检测结果，由此，达到兼顾响应速度和精准度效果。

在优选的实施例中，所述半导体温度检测结构，具体包括：PTAT半导体器件；其中，所述PTAT半导体器件具有输出电压跟随感知温度成预设比例变化的半导体结构，被配置为感知目标区域温度，输出随所述目标区域温度成预设比例变化的温度电压信号。

在此基础上，所述信号处理模块3，具体包括：第一模数转换单元，所述第一模数转换单元被配置为对所述温度检测件1输出的温度电压信号进行模数转换，获得温度电压值；温度值生成单元，所述温度值生成单元被配置为根据所述温度电压值和电压值与温度值的第一转换关系，生成目标区域的温度值；其中，所述电压值与温度值的第一转换关系与预设比例变化相对应。

本实施例中，温湿度传感器中设置的半导体温度检测结构，用于感知目标区域温度，输出目标区域温度对应的温度电压信号。具体而言，半导体温度检测结构采用具有PTAT结构（Proportional to Absolute Temperature，温度系数与发射系数相等的电路结构）的半导体器件构成，该PTAT结构能够感知目标区域温度并输出与温度成预设比例变化的温度电压信号，即本实施例通过在温湿度传感器中设置PTAT半导体器件，实现对目标区域的温度电压信号采集，在此之后，将温度电压信号传输至信号处理模块3，信号处理模块3利用AD采样从温度电压信号中提取出温度电压值，并利用温度值生成单元基于与预设比例变化相对应的第一转换关系，将温度电压值转换为温度值，最终获得目标区域的实时温度值。在实际应用中，考虑到湿度检测结构采用半导体结构构成，PTAT结构优选采用半导体工艺附带制成的三极管及其相关电路集成为PTAT半导体器件，利用三极管的负温度特性形成了随温度成预设比例变化的电压信号或电流信号，具有较好的精确度以及温度相关性，使得输出温度值更为准确，由此，实现半导体温度检测结构输出目标区域温度对应的精确温度值。

在优选的实施例中，所述半导体湿度检测结构，如图2-3所示，具体包括：硅衬底201；设置于所述硅衬底201上的湿度检测电容层；其中，所述湿度检测电容层包括依次叠层设置的下电极层202、湿敏材料层203和上电极层；其中，所述上电极层包括相互独立设置的窄电极层204和宽电极层205，所述窄电极层204与所述下电极层202以及之间的湿敏材料层203构成所述窄电极检测电容，所述宽电极层205与所述下电极层202以及之间的湿敏材料构成所述宽电极检测电容。

在此基础上，所述信号处理模块3，具体包括：电容转换单元，所述电容转换单元被配置为对所述湿度检测件2输出的所述宽电极湿度电容信号和所述窄电极湿度电容信号进行电容电压转换，获得宽电极湿度电压信号和窄电极湿度电压信号；第二模数转换单元，所述第二模数转换单元被配置为对所述宽电极湿度电压信号和所述窄电极湿度电压信号进行模数转换，获得宽电极湿度电压值和窄电极湿度电压值；湿度值生成单元，所述湿度值生成单元被配置为利用所述宽电极湿度电压值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值，并根据所述湿度电压校正值和电压值与湿度值的第二转换关系，生成目标区域的湿度值。

其中，所述湿度值生成单元，具体包括：校正值记录子单元，所述校正值记录子单元被配置为每隔预设时间获取所述窄电极湿度电压值和所述宽电极湿度电压值，根据所述窄电极湿度电压值和所述宽电极湿度电压值的差值，计算获得当前记录时间戳到下一记录时间戳之间的湿度电压校正值，将所述湿度电压校正值与记录时间戳范围进行关联存储；湿度电压校正子单元，所述湿度值校正子单元被配置为在获取到窄电极湿度电压值时，根据获取时间戳所在记录时间戳范围，匹配所述记录时间戳范围对应的湿度电源校正值，并利用所述湿度电源校正值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值。

本实施例中，针对现有温湿度传感器在湿度检测精准度和湿度检测反应速度无法同时做到较高水平的问题，本申请通过设置包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容的半导体湿度检测结构，利用窄电极检测电容实现实时快速的湿度值检测与输出，再利用宽电极检测电容获得的精准度更高的湿度值对其进行校正，由此，获得兼顾响应速度和精准度的湿度监测结果。

具体而言，本实施例中的半导体湿度检测结构采用衬底以及依次叠层设置于衬底上的下电极层202、湿敏材料层203和上电极层构成，利用共用的下电极层202、独立的上电极层以及设置于每个上电极层与对应下电极层202之间的湿敏材料层203，构成基于同一平面且具有若干个检测电容的湿度检测电容层；同时，考虑到宽电极检测电容具有的检测精确度高以及窄电极检测电容具有的检测响应快的特点，湿度检测电容层中的若干个检测电容包括至少一个用于获取较高精度检测值的宽电极检测电容以及至少一个用于获取快速响应检测值的窄电极检测电容，同时记录该宽电极电容和窄电极电容的电容信号以及对应的记录时间戳，在经过电压转换和AD采样后获得宽电极湿度电压值和窄电极湿度电压值，每隔预设时间（例如10min）根据获取到的宽电极湿度电压值和窄电极温度电压值的差值，计算当前记录时间戳到下一记录时间戳之间的湿度电压校正值，在该记录时间戳范围内，只要获取到窄电极检测电容输出的窄电极湿度电压值（即检测响应较快的检测值），则利用该湿度电压校正值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值，最后根据电压值与湿度值的第二转换关系，获得兼顾响应速度和精准度的湿度监测结果。

在优选的实施例中，所述半导体湿度检测结构，还包括：加热层206；其中，所述加热层206被配置为具有多晶硅加热电路；其中，所述多晶硅加热电路设置于所述硅衬底201上的隔离层，被配置为对湿度检测电容层进行加热，以消除凝聚水汽和/或附着污物。

在此基础上，所述湿度值生成单元，还包括：加热控制子单元，所述加热控制子单元被配置为在湿度检测前，驱动所述多晶硅加热电路对湿度检测电容层执行加热动作；加热参数获取子单元，所述加热参数获取子单元被配置为获取所述多晶硅加热电路执行加热动作的目标加热参数；湿度值修正子单元，所述湿度值修正子单元被配置为调用加热参数与湿度值修正比例的对照表，匹配所述目标加热参数对应的湿度值修正比例，利用所述湿度值修正比例对生成的湿度值进行比例修正，获得湿度修正值。

本实施例中，针对湿度检测电容表面的凝聚水汽影响非理想环境下的湿度检测准确性的缺陷时，采用在硅衬底201上的隔离层中设置由多晶硅加热电路构成的加热层206，利用多晶硅加热电路对位于隔离层（在实际应用中可设置为二氧化硅层207和/或氮化硅层208）上的湿度检测电容层进行加热，能够有效蒸发湿度检测电容层上的凝聚水汽和/或附着污物，避免非理想环境下的湿度检测准确性受影响的问题出现。针对湿度较大的极端环境下检测到的湿度值上限受到限制的缺陷时，先通过加热湿度检测电容层进行湿敏材料层203中的水蒸发控制，使湿度检测电容的湿度电容值回落至湿度电容值上限以内，再通过获取多晶硅加热电路对湿度检测电容层执行加热动作时的加热参数（例如加热时间、加热电流或加热温度），匹配该加热参数对应的湿度值修正比例，利用湿度值修正比例对应所述湿度电容值经转换和采样的湿度电压值来进行修正，最终能够获得超过湿度值上限的湿度检测值。

在优选的实施例中，所述硅衬底201，具体包括：高温复位加热区，所述高温复位加热区被配置为所述窄电极检测电容下对应的隔离层区域，具有第一多晶硅加热电路，所述第一多晶硅加热电路执行针对所述窄电极检测电容的高温复位加热动作；低温持续加热区，所述低温持续加热区被配置为所述宽电极检测电容下对应的隔离层区域，具有第二多晶硅加热电路，所述第二多晶硅加热电路执行针对所述宽电极检测电容的低温持续加热动作。

在此基础上，所述信号处理模块3，还包括：高温复位加热控制单元，所述高温复位加热控制单元被配置为在检测到高温复位加热区的窄电极检测电容对应的窄电极湿度电容信号满足复位加热条件时，控制所述第一多晶硅加热电路执行高温复位加热动作；其中，复位加热条件为窄电极湿度电容信号进入预设的电容异常值临界区域内，所述高温复位加热动作为驱使第一多晶硅加热电路以第一加热温度加热窄电极检测电容，直至窄电极湿度电容信号离开预设的电容异常值临界区域内；低温持续加热控制单元，所述低温持续加热控制单元被配置为控制所述第二多晶硅加热电路执行低温持续加热动作；其中，所述低温持续加热动作为驱使第二多晶硅加热电路以第二加热温度持续加热宽电极检测电容；其中，第一加热温度高于所述第二加热温度。

本实施例中，将隔离层划分为高温复位加热区和低温持续加热区，用于分别对窄电极检测电容和宽电极检测电容进行加热，通过为宽电极检测电容提供较低温度且持续执行加热的低温持续加热动作，保证宽电极检测电容始终位于电容上限之内的正常值区域，并始终测得较为精确的宽电极湿度电压值；通过为窄电极检测电容提供较高温度但仅在窄电极湿度电容信号进入预设的电容异常值临界区域内时执行加热的高温复位加热动作，保证窄电极检测电容能够从异常值临界区域快速回归到正常区域内，以使窄电极检测电容能够执行非失真的窄电极湿度电压值检测（即获得的窄电极湿度电压值在上限值以内），待快速回归到正常区域后，即可利用宽电极湿度电压值与窄电极湿度电压值对目标区域的湿度进行校正计算，在尽可能节省能源提高续航的同时，加快了温湿度传感器恢复至工作状态的速度。

由此，本实施例提供了一种高检测精度、高反应速度、适应非理想环境以及湿度检测上限值更高的温湿度检测方案，通过设置包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容的半导体湿度检测结构，利用窄电极检测电容实现实时快速的湿度值检测与输出，再利用宽电极检测电容获得的精准度更高的湿度值对其进行校正，由此，获得兼顾响应速度和精准度的环境湿度值；同时，通过设置加热层206对湿度检测电容层进行加热，一方面消除聚集水汽对温湿度传感器检测的影响，另一方面，提高了湿度检测上限值。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之间的范围，并且该范围包括端点。例如：“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，包括：

温度检测件，所述温度检测件具有半导体温度检测结构，被配置为感知目标区域温度，输出所述目标区域温度对应的温度电压信号；

湿度检测件，所述湿度检测件具有半导体湿度检测结构，所述半导体湿度检测结构包括至少一个窄电极检测电容和至少一个宽电极检测电容，被配置为感知目标区域湿度，输出所述目标区域湿度对应的窄电极湿度电容信号和宽电极湿度电容信号；

信号处理模块，所述信号处理模块被配置为根据所述温度检测件输出的温度电压信号，生成目标区域的温度值，以及根据所述湿度检测件输出的所述宽电极湿度电容信号和所述窄电极湿度电容信号，生成目标区域的湿度值。

2.根据权利要求1所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述半导体温度检测结构，具体包括：

PTAT半导体器件；

其中，所述PTAT半导体器件具有输出电压跟随感知温度成预设比例变化的半导体结构，被配置为感知目标区域温度，输出随所述目标区域温度成预设比例变化的温度电压信号。

3.根据权利要求2所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述信号处理模块，具体包括：

第一模数转换单元，所述第一模数转换单元被配置为对所述温度检测件输出的温度电压信号进行模数转换，获得温度电压值；

温度值生成单元，所述温度值生成单元被配置为根据所述温度电压值和电压值与温度值的第一转换关系，生成目标区域的温度值；其中，所述电压值与温度值的第一转换关系与预设比例变化相对应。

4.根据权利要求1所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述半导体湿度检测结构，具体包括：

硅衬底；

设置于所述硅衬底上的湿度检测电容层；

其中，所述湿度检测电容层包括依次叠层设置的下电极层、湿敏材料层和上电极层；

其中，所述上电极层包括相互独立设置的窄电极层和宽电极层，所述窄电极层与所述下电极层以及之间的湿敏材料层构成所述窄电极检测电容，所述宽电极层与所述下电极层以及之间的湿敏材料构成所述宽电极检测电容。

5.根据权利要求4所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述信号处理模块，具体包括：

电容转换单元，所述电容转换单元被配置为对所述湿度检测件输出的所述宽电极湿度电容信号和所述窄电极湿度电容信号进行电容电压转换，获得宽电极湿度电压信号和窄电极湿度电压信号；

第二模数转换单元，所述第二模数转换单元被配置为对所述宽电极湿度电压信号和所述窄电极湿度电压信号进行模数转换，获得宽电极湿度电压值和窄电极湿度电压值；

湿度值生成单元，所述湿度值生成单元被配置为利用所述宽电极湿度电压值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值，并根据所述湿度电压校正值和电压值与湿度值的第二转换关系，生成目标区域的湿度值。

6.根据权利要求5所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述湿度值生成单元，具体包括：

校正值记录子单元，所述校正值记录子单元被配置为每隔预设时间获取所述窄电极湿度电压值和所述宽电极湿度电压值，根据所述窄电极湿度电压值和所述宽电极湿度电压值的差值，计算获得当前记录时间戳到下一记录时间戳之间的湿度电压校正值，将所述湿度电压校正值与记录时间戳范围进行关联存储；

湿度电压校正子单元，所述湿度值校正子单元被配置为在获取到窄电极湿度电压值时，根据获取时间戳所在记录时间戳范围，匹配所述记录时间戳范围对应的湿度电源校正值，并利用所述湿度电源校正值对所述窄电极湿度电压值进行校正，获得湿度电压校正值。

7.根据权利要求6所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述半导体湿度检测结构，还包括：

加热层；

其中，所述加热层被配置为具有多晶硅加热电路；

其中，所述多晶硅加热电路设置于所述硅衬底上的隔离层，被配置为对湿度检测电容层进行加热，以消除凝聚水汽和/或附着污物。

8.根据权利要求7所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述湿度值生成单元，还包括：

加热控制子单元，所述加热控制子单元被配置为在湿度检测前，驱动所述多晶硅加热电路对湿度检测电容层执行加热动作；

加热参数获取子单元，所述加热参数获取子单元被配置为获取所述多晶硅加热电路执行加热动作的目标加热参数；

湿度值修正子单元，所述湿度值修正子单元被配置为调用加热参数与湿度值修正比例的对照表，匹配所述目标加热参数对应的湿度值修正比例，利用所述湿度值修正比例对生成的湿度值进行比例修正，获得湿度修正值。

9.根据权利要求7所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述硅衬底，具体包括：

高温复位加热区，所述高温复位加热区被配置为所述窄电极检测电容下对应的隔离层区域，具有第一多晶硅加热电路，所述第一多晶硅加热电路执行针对所述窄电极检测电容的高温复位加热动作；

低温持续加热区，所述低温持续加热区被配置为所述宽电极检测电容下对应的隔离层区域，具有第二多晶硅加热电路，所述第二多晶硅加热电路执行针对所述宽电极检测电容的低温持续加热动作。

10.根据权利要求9所述的高性能MEMS温湿度传感器，其特征在于，所述信号处理模块，还包括：

高温复位加热控制单元，所述高温复位加热控制单元被配置为在检测到高温复位加热区的窄电极检测电容对应的窄电极湿度电容信号满足复位加热条件时，控制所述第一多晶硅加热电路执行高温复位加热动作；其中，所述复位加热条件为窄电极湿度电容信号进入预设的电容异常值临界区域内，所述高温复位加热动作为驱使第一多晶硅加热电路以第一加热温度加热窄电极检测电容，直至窄电极湿度电容信号离开预设的电容异常值临界区域内；

低温持续加热控制单元，所述低温持续加热控制单元被配置为控制所述第二多晶硅加热电路执行低温持续加热动作；其中，所述低温持续加热动作为驱使第二多晶硅加热电路以第二加热温度持续加热宽电极检测电容；其中，第一加热温度高于所述第二加热温度。