一种用于温度和流体相对蒸气压力测量的装置及相关联的方法
一种用于温度和流体相对蒸气压力测量的装置及相关联的方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及环境传感器领域、相关联的方法和装置，以及尤其关注低成本集成传 感器，该低成本集成传感器能够测量周围环境的温度和流体的相对蒸气压力。某些公开的 示例方面/实施例涉及便携式电子设备，特别地，所谓的手持便携式电子设备，其在使用中 可以是手持式的（尽管在使用中可以将它们放在托架上）。此类手持便携式电子设备包含 所谓的个人数字助理（PDAs)和平板PCs。
[0002] 根据一个或多个所公开的示例方面/实施例的便携式电子设备/装置可以提供 一个或多个音频/文本/视频通信功能（例如，电信、视频通信和/或文本传输，短消息服 务（SMS)/多媒体消息服务（MMS)/电子邮件收发功能，交互式/非交互式观看功能（例如， 网络浏览、导航、TV/节目观看功能）、音乐记录/播放功能（例如，MP3或其它格式和/或 (FM/AM)无线电广播记录/播放）、数据的下载/发送功能、图像捕获功能（例如，使用（例 如内建的）数字相机），以及游戏功能。
【背景技术】
[0003] 当前，在市场上不能获得低成本的集成的柔性的温度和湿度传感器。本文中公开 的装置和方法可能解决或可能不解决这个问题。
[0004] 在先发布的文档和在本说明书中的任何背景中的列表或论述不应当必须被认为 是承认该文档或背景是现有技术的一部分或是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施 例可以解决或可以不解决背景问题中的一个或多个背景问题。
【发明内容】
[0005] 根据第一方面，提供了一种装置，所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元 件，所述第一传感器元件包括第一传感器材料，所述第二传感器元件包括第二传感器材料， 其中所述第一传感器材料被配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一 传感器元件和第二传感器元件所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使 得所述第二传感器材料的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境中的流体的相对蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度 和流体相对蒸气压力的依赖性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感 器材料的电气性质的组合测量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0006] 如贯穿于本说明书中所使用的术语"相对蒸气压力"可以采用的含义是在给定温 度处的流体的部分蒸气压力和它的饱和蒸气压力之间的比率。
[0007] 所述第一传感器材料的电气性质还可以依赖于在环境中的流体的相对蒸气压力。 所述第二传感器材料的电气性质还可以依赖于环境的温度。第一传感器材料的温度和流体 相对蒸气压力的依赖性可以不同于第二传感器材料的温度和流体相对蒸气压力的依赖性。
[0008] 所述第一传感器材料可以不同于所述第二传感器材料。所述第一传感器材料和第 二传感器材料每个都可以包括氧化物材料。所述第一传感器材料的氧化物材料可以具有与 第二传感器材料的氧化物材料不同的氧化态。所述第一传感器材料可以包括：在所述第二 传感器材料中不存在的一个或多个官能团（functionalgroups)。所述第一传感器材料和 第二传感器材料每个都可以包括一个或多个官能团。所述第一传感器材料的一个或多个官 能团可以不同于所述第二传感器材料的一个或多个官能团。
[0009] 所述第一传感器元件可以包括所述第二传感器元件不存在的钝化层。所述钝化层 可以被配置为防止所述第一传感器材料暴露于环境中的流体。所述钝化层可以包括含氟聚 合物（诸如，由AGC化学品欧洲有限责任公司提供的Cytop?)。
[0010] 所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都可以包括具有间隙 (interstitial)间距的一堆伪二维片晶（pseudotwo-dimensionalplatelets)。在相同 环境条件下，在所述第一传感器材料中的伪二维片晶的间隙间距可以不同于在所述第二传 感器材料中的伪二维片晶的间隙间距。
[0011] 第一传感器材料和/或第二传感器材料可以包括以下中的一个或多个：石墨烯、 石墨稀氧化物、氮化硼、fluorographene、氢化石墨稀、硫化鹤和二硫化钼。
[0012] 所述第一传感器元件和第二传感器元件中的一个或多个可以包括保护层，所述保 护层被配置为分别防止对所述第一传感器材料和第二传感器材料的损害。所述保护层可以 包括允许环境中的流体通过的材料以使得能够防止对传感器材料的损害而不防止确定环 境的流体相对蒸气压力。所述保护层可以包括嵌段共聚物。
[0013] 流体相对蒸气压力可以提供环境的相对湿度的指示。流体可以包括液体和气体中 的一个或多个。流体可以包括水。
[0014] 第一传感器元件和第二传感器元件每个都可以包括电极对，该电极对被配置为使 得交流电能够流动通过各自的传感器材料。第一传感器元件的电极对可以包括与第二传感 器元件的电极对不同的电极几何形状和/或电极材料。第一传感器元件和/或第二传感器 元件的电极对可以包括交叉指型梳状电极，穿插（interpenetrating)螺旋电极或平行板 电极。第一传感器元件和/或第二传感器元件的平行板电极中的一个或两个可以被配置为 用作各自传感器元件的钝化层和/或保护层。
[0015] 电气性质可以是以下中的一个或多个：阻抗、电阻、电导、电抗和电容。该装置可以 包括：一个或多个参考组件（例如，电容器或电阻器），该一个或多个参考组件被配置为使 得第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质（例如，电容或电阻）能够分别被测量作 为针对该一个或多个参考组件的电气性质的比率。
[0016] 该装置可以包括：控制器，所述控制器被配置为接收第一传感器材料和第二传感 器材料的电气性质测量结果，以及基于所接收的电气性质测量结果来确定环境的温度和流 体相对蒸气压力。该装置可以包括接口电路，该接口电路被配置为将来自第一传感器元件 和第二传感器元件的输出信号转换成适合于由控制器使用的形式。该接口电路可以包括以 下中的一个或多个：分压器、惠斯通电桥、相位敏感检测电路，以及模拟至数字转换器。
[0017] 该装置可以是以下中的一个或多个：电子设备、便携式电子设备、便携式电信设 备、传感器、可穿戴设备、手腕带、针对上述中的一个或多个的用户接口、针对上述中的一个 或多个的电子显示器，以及针对上述中的一个或多个的模块。
[0018] 根据另一个方面，提供了使用装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力的方 法，
[0019] 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一 传感器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被 配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元 件所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相 同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对 蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖 性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测 量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力，
[0020] 所述方法包括：测量所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质，以及基 于组合的电气性质测量结果，确定环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0021] 根据另一个方面，提供了制造包括第一传感器元件和第二传感器元件的装置的方 法，所述方法包括：
[0022] 形成第一传感器元件，所述第一传感器元件包括第一传感器材料，所述第一传感 器材料被配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二 传感器元件所位于的环境的温度；以及
[0023] 形成第二传感器元件，所述第二传感器元件包括第二传感器材料，所述第二传感 器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和 第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气压力，
[0024] 所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖 性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测 量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0025] 本文中公开的任何方法的步骤不是必须以所公开的精确顺序来执行，除非明确地 指出或由本领域的技术人员理解。
[0026] 用于实现本文中公开的方法中的一个或多个方法的相应的计算机程序（其可以 被记载在载体上或不被记录在载体上）也在本公开内以及由所描述的示例实施例中的一 个或多个示例实施例涵盖。
[0027] 根据另一个方面，提供包括计算机代码的计算机程序，所述计算机代码被配置为 使用装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0028] 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一 传感器材料，所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被配置 为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电 气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气 压力，所述第一传感器材料和第 二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允 许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结 果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力，
[0029] 所述计算机代码被配置为测量在环境中的第一传感器材料和第二传感器材料的 电气性质，以及基于组合的电气性质测量结果，确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0030] 本公开包含在孤立中或在各种组合中的一个或多个对应的方面、示例实施例或特 征，而不管在该组合中或在孤立中是否被明确地阐明（包含要求保护）。用于执行所论述的 功能的一个或多个功能的对应的构件也在本公开内。
[0031] 上述概述旨在仅是示例性和非限制性的。
【附图说明】
[0032] 现在参照附图仅作为示例来给出描述，其中：
[0033] 图la示出了根据温度的石墨稀氧化物的阻抗谱（频率范围40Hz_110MHz);
[0034] 图lb示出了根据相对湿度的石墨稀氧化物的阻抗谱（频率范围40Hz_110MHz);
[0035] 图2示出了通过石墨烯氧化物片晶的伪二维堆的水蒸发；
[0036] 图3示出了根据相对湿度的通过具有和不具有石墨烯氧化物膜的开孔的水渗透 率；
[0037] 图4示出了根据本公开的一个实施例的第一传感器元件和第二传感器元件；
[0038] 图5示出了根据本公开的另一个实施例的第一传感器元件和第二传感器元件；
[0039] 图6a示出了在两个不同温度处根据相对湿度的石墨烯氧化物的电容；
[0040] 图6b示出了在两个不同温度处根据相对湿度的石墨烯氧化物的电导；
[0041] 图7示出了根据本公开的另一个实施例的第一传感器元件和第二传感器元件；
[0042] 图8a示出了叉指型梳状电极的几何形状；
[0043] 图8b示出了穿插螺旋电极的几何形状；
[0044] 图8c示出了平行板电极的几何形状；
[0045] 图8d示出了在横截面中的图8c的平行板电极的几何形状；
[0046] 图9示出了包括本文中描述的第一传感器元件和第二传感器元件的装置；
[0047] 图10示出了使用图9的装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力的方法的主 要步骤；
[0048] 图11示出了制造图9的装置的方法的主要步骤；
[0049] 图12示出了包括计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序被配置为执行、控 制或启用图10和/或图11的方法步骤中的一个或多个方法步骤；
[0050] 图13a示出了用于表示基于石墨烯氧化物的传感器元件的等效电路；以及
[0051] 图13b示出了用于表示包括具有小于50nm的厚度的石墨烯氧化物传感器材料的 传感器元件的等效电路。
【具体实施方式】
[0052] 已经发现石墨烯氧化物的阻抗指数地依赖于它所位于的环境的温度和相对湿度。 在图la和图lb中说明了这种情况，图la和图lb分别示出了根据温度（在45%的相对湿 度）和相对湿度（在25°C的温度）的石墨烯氧化物的复阻抗谱。
[0053] 温度和湿度依赖性没有被充分理解，但是可以与材料的分层结构有关。如在图2 中示出的，石墨烯氧化物包括：一堆伪二维片晶201 (具有间隙间距"d"），它们允许水202 渗透通过该材料。渗透率依赖于环境的温度和相对湿度两者。图3示出了通过开孔和使用 0. 5ym厚的石墨烯氧化物膜覆盖该相同孔的水蒸发的速率。在100 %相对湿度，水渗透通 过石墨烯氧化物就好像那里没有膜。针对这种行为的一种可能解释是周围环境的相对湿度 (以及还有温度）影响石墨烯氧化物片晶的间隙间距，这进而指示了能够被该材料吸收的 水的数量。当水填充片晶之间的空间时，该材料的厚度增加以及在水分子和导致阻抗中变 化的石墨烯氧化物之间发生电荷转移。
[0054] 石墨烯氧化物的阻抗还依赖于通过该材料的交流电的频率（《)。在笛卡尔形式 中，由以下表达式来给出复阻抗（Z)
[0055] Z=X-iY 方程式 1
[0056] 其中X是阻抗的实数部分（S卩电阻）以及Y是阻抗的虚数部分（S卩电抗）。在温 度和湿度值的一些范围中，实数和虚数部分对频率、温度（T)和相对湿度（H)的依赖性能够 通过以下方程式来描述：
[0057] X(?，T，H) =FX[? (T，H)] ?e-(clT+E!H) 方程式 2
[0058] Y(?，T，H) =FY[? (T，H)] ?e-(clT+E!H) 方程式 3
[0059] ? (T,H) = ?0e_(aT+EiH) 方程式 4
[0060] 其中a和0是材料特定的温度和湿度系数。
[0061] 如在背景部分中提及的，当前，在市场上不能获得低成本的集成的柔性的温度和 湿度传感器。本文中公开的装置和方法可以解决或可以不解决这个问题。尽管以下论述参 考相对湿度的测量，但是本装置不是仅局限于空气中的水蒸气的相对蒸气压力（例如，浓 度）。相反，合适配置的如本文中描述的装置可以用于测量在周围环境中的任何流体（其可 以包括液体和/或气体）的相对蒸气压力。
[0062] 如在图4中示出的，本装置包括第一传感器元件403和第二传感器元件404。第一 传感器元件403包括：第一传感器材料405和电极对406、407,电极对406、407被配置为使 得交流电能够流动通过第一传感器材料405,以及第二传感器元件404包括：第二传感器材 料408和电极对406、407,电极对406、407被配置为使得交流电能够流动通过第二传感器材 料 408。
[0063] 第一传感器材料405被配置为使得第一传感器材料405的电气性质（例如，阻抗、 电阻、电导、电抗和/或电容）依赖于第一传感器元件403和第二传感器元件404所位于的 环境409的温度，以及第二传感器材料408被配置为使得第二传感器材料408的相同电气 性质依赖于第一传感器元件403和第二传感器元件404所位于的环境409中的流体（例如， 水）的相对蒸气压力。第一传感器材料405和第二传感器材料408的各自温度和流体相对 蒸气压力的依赖性允许基于在环境409中的第一传感器材料405和第二传感器材料408的 电气性质的组合测量结果来确定环境409的温度和流体相对蒸气压力（例如，相对湿度）。
[0064] 第一传感器材料405的电气性质还可以依赖于在环境409中的流体的相对蒸气压 力，以及第二传感器材料408的电气性质还可以依赖于环境409的温度。然而，在这个场景 中，第一传感器材料405的温度和流体相对蒸气压力的依赖性（分别由系数a0 1来 表示）必须不同于第二传感器材料408的温度和流体相对蒸气压力的依赖性（分别由系数 a2和0 2来表示）。
[0065] 实际上，这可以以多种不同方式来取得。一种方法是使用针对第一传感器元件403 和第二传感器元件404的不同的传感器材料405、408。类似石墨烯氧化物，每个传感器材 料405、408应当包括一堆伪二维片晶以使得能够从环境409吸收流体。合适的材料包含： 石墨稀、石墨稀氧化物、还原的或部分还原的石墨稀氧化物、氮化硼、fluorographene、氢化 石墨烯、硫化钨、二硫化钼，或它们的任何组合。可以选择第一传感器材料405和第二传感 器材料408使得在第一传感器材料405中的伪二维片晶402的间隙间距不同于在第二传感 器材料408中的伪二维片晶402的间隙间距。
[0066] 另一种选项是针对每个传感器元件403、404使用相同的氧化物材料405、408 (例 如，石墨烯氧化物）但是具有不同的氧化态。能够通过激光照射，或通过其它方法，化学地 控制氧化程度。这可以用于增加或减少流体进入材料405、408的渗透（例如，通过改变材 料405、408的亲水性），和/或用于改变材料405、408与流体的相互作用，以便调节温度和 湿度依赖性。另外或可替代地，可以将一个或多个官能团添加到第一传感器材料405但是 不添加到第二传感器材料408,或可以将不同的官能团添加到每个传感器材料405、408。
[0067] 另一种选项是针对第一传感器元件403和第二传感器元件404使用相同的传感器 材料405、408,但是针对每个传感器元件403、404使用不同的电极构型（例如，叉指型梳状 电极、穿插螺旋电极或平行板电极）和/或不同的电极材料。例如，针对第一传感器元件 403的银电极406、407和针对第二传感器元件404的氧化银电极406、407的使用能够导致 系数a0 1不同于系数a^和0 2。
[0068] 另一个选项是将钝化层510添加到传感器元件503、504中的一个传感器元件。在 图5中示出了这种配置，其中将钝化层510添加到第一传感器元件503而不是添加到第二 传感器元件504。可以从防止传感器材料505暴露于环境509中的流体的任何材料来形成 钝化层510。例如，当流体是周围空气中的水时，钝化层510可以包括疏水性材料（诸如含 氟聚合物）以防止此类暴露。当钝化层510被添加到传感器元件503中的一个传感器元件 时，各自传感器材料505的电气性质变成独立于在周围环境509中的流体的相对蒸气压力 (但是仍然随着温度而变化）。因此，针对这个传感器元件503而言，湿度系数（f^)变为 零。
[0 069] 在装置能够用于测量环境509的温度和相对湿度之前，必须计算每个传感器材料 (505、508)的温度和湿度系数（a，0)。这可以通过将每个传感器元件503、504建模为等 效电路来完成，在该等效电路中，仅两个参数根据温度和相对湿度而变化。一般能够通过 使用图13a中示出的等效电路来获得石墨烯氧化物膜的阻抗谱。等效电路包括：串联电阻 (Rs)、双层电容（Cdl)、电荷转移电阻（RJ和常相位元件（CPE-W)。在改变环境的温度和/ 或相对湿度时，影响仅电荷转移电阻和常相位元件。例如，在温度和相对湿度的范围（即， 15°C<T< 45°C和0. 3 <H< 0. 8)内，能够通过以下方程式来描述电荷转移电阻的变化：
[0070] log(Rj=log(R〇) +a(T_T〇) +f3 (H-H。） 方程式 5
[0071] 其中R。是在温度和湿度（TQ，HQ)的参考条件下的电荷转移电阻，以及1^是在任何 其它温度和湿度条件（T，H)下的电荷转移电阻。类似的关系应用于等效电路的常相位元件 (CPE-W)〇
[0072] 因此，能够通过测量在三种不同环境条件（T。，HQ)、（T。，氏）和〇\，H。）下在环境控 制的控制室中的电荷转移电阻（或其它参数）以及求解所产生的联立方程组，来确定每个 传感器元件503、504的温度和湿度系数。实际上，能够通过测量阻抗谱以及根据等效电路 来拟合它来获得电荷转移电阻的值。
[0073] -旦a" |3 "a2和|3 2是已知的，则能够通过组合针对两个传感器元件503、504 的方程式5并且求解所产生以下方程式，来测量（外部）环境509的温度和相对湿度：
[0076] 其中下标"1"和"2"分别与第一传感器元件503和第二传感器元件504有关。
[0077] 在非常薄的石墨稀氧化物薄膜（films)(例如，具有小于50nm的厚度）的情况下， 能够忽略在等效电路中的常相位元件（CPE-W)的贡献。因此，能够从包括仅并联的双层电 容（Cdl)和电荷转移电阻（RJ的更简单的等效电路（图13b中示出）来获得阻抗谱。使 用这种等效电路，仅电荷转移电阻依赖于温度和相对湿度。因此，能够在不需要根据图13a 的等效电路来拟合整个阻抗谱的情况下，来评估温度和相对湿度。准确地说，因为双层电容 (Cdl)随着温度和相对湿度近似地保持恒定，以及与测量频率相比，传感器元件的时间常数 (RrtCdl)典型地短（例如，~l〇〇us)，因此能够测量作为分压器或惠尔通电桥电路的一部分 的电荷转移电阻（RJ。
[0078] 在另一方面，在厚的石墨稀氧化物薄膜（例如，具有大于50nm的厚度）的情况下， 对于确定阻抗谱而言，常相位元件（CPE-W)的贡献可以是相关的。因此，图13b的简化的等 效电路不再可以应用，以及必须根据图13a的等效电路来拟合阻抗谱，以便获得电荷转移 电阻（RJ的值。然而，可替代的方法能够用于利用相对厚的石墨烯氧化物薄膜的阻抗依赖 性以用于感测温度和相对湿度。
[0079] 当在单个频率处执行阻抗测量时，假设Y〈0,阻抗（Z)的实部（X)和虚部（Y)能够 被转换为并联的等效电阻（Rp)和电容（Cp)。通过以下方程式来给出电阻和电容：
[0080] Rp= (1+Q2)X 方程式 8
[0082] 其中Q= |Y|/X。能够通过在给定频率处测量第一和第二基于石墨稀氧化物的传 感器元件的阻抗以及分别使用方程式8和9将这些测量结果转换为电阻（Rp)或电容（Cp)， 来执行温度和相对湿度两者的感测。实际上，能够通过借助于相位敏感检测（典型地被称 为锁相测量）在单个频率处测量阻抗，来确定电阻（Rp)和电容（Cp)。通过将驱动信号的副 本与测量信号混合以及应用低通滤波器，来获得阻抗的同相（X)和不同相（Y)成分。这可 以通过模式混合器、数字信号处理模块，或使用软件来完成。
[0083] 在交流电的某些频率处，根据以下表达式，石墨烯氧化物（以及其它材料）的电容 (Cp)随着温度和相对湿度而变化：
[0085] 其中CQ是温度函数，在本文中被称为"前因子（pre-factor) "，以及针对给定频率 而言，X。是常数。在25°C和45°C处，在图6a中示出了在10kHz频率处随着相对湿度在电容 中的变化。如在图6b中示出的，类似的关系应用于石墨烯氧化物的电导（Gp=l/Rp)。因 此，监测在给定频率处的第一传感器元件和第二传感器元件的电容或电导的值足以获得温 度和相对湿度的测量结果。
[0086] 能够通过如下重新布置方程式10来确定相对湿度：
[0088] 然而，在装置能够用于测量环境509的温度和相对湿度之前，必须确定前因子和 常数。在这个实施例中，第一传感器元件503包括钝化层510而第二传感器元件504没有 钝化层。
[0089] 能够通过测量在环境控制的控制室中的第二传感器材料508的电容同时变化在 恒定温度处的相对湿度，以及将众所周知的线性回归技术应用于所产生的电容对湿度数 据，来找到常数。通过保持温度恒定，在第二传感器材料508的电容中的任何变化能够归因 于在相对湿度中的改变。
[0090] 下一个步骤是测量在环境控制的控制室中的第一传感器材料505的电容同时改 变温度。钝化层510的存在消除了来自第一传感器材料505的任何湿度依赖性。于是，能 够从电容对温度（校准）数据来确定电容和温度之间的关系。
[0091] 能够通过测量第一传感器材料505的电容以及将这个值与校准数据进行比较，来 获得（外部）环境509的温度。线性内插法或外插法可以用于从落入在校准数据中的任何 节点之间的任何电容测量结果，来确定温度。一旦温度是已知的，则能够使用来自校准数据 的预定关系来计算前因子。
[0092] 现在，已经确定了常数和前因子，能够通过测量第二传感器材料508的电容以及 在方程式11中使用这个值，来计算（外部）环境509的相对湿度。
[0093] 通过使用在传感器元件503中的一个传感器元件的钝化层510,以及在产生如由 方程式10定义的响应的频率处应用交流电，能够减少与确定环境509的温度和相对湿度相 关联的处理能力和时间。这是因为能够（分别）直接使用第一传感器元件503和第二传感 器元件504而不需要求解联立方程组，来测量环境509的温度和相对湿度。
[0094] 为了减少与求解方程式11相关联的计算能力（因为，在相对湿度上电容的指数依 赖性未必容易计算），可以在不同的温度范围处在环境控制的控制室中测量随着相对湿度 在第二传感器材料508的电容中的变化，并且将该变化存储在查找表中（S卩，导致如在图6a 中示出的一系列的校准数据集）。一旦，从第一传感器元件503确定了环境509的温度，则 能够通过测量第二传感器材料508的电容并且将它与在查找表中的有关数据集进行比较， 来确定相对湿度。线性内插法和外插法可以用于从落入在校准数据中的两个节点之间的任 何电容测量结果来确定相对湿度。
[0095] 如在图7中说明的，第一传感器元件703和第二传感器元件704中的一个或两个 传感器元件可以包括保护层711，保护层711被配置为分别防止对第一传感器材料705和 第二传感器材料708的损害。如果传感器元件703、704被配置为测量在周围环境709中的 流体的相对蒸气压力，则保护层711应当包括材料（诸如嵌段共聚物），该材料允许流体渗 透以使得能够防止对传感器材料705、708的损害而不防止确定环境709的流体相对蒸气压 力。另一方面，如果传感器元件703、704没有被配置为测量周围环境709中的流体的相对 蒸气压力（例如，在图5中的第一传感器元件503)，则保护层711可以被配置为防止各自的 传感器材料705、708暴露于流体。在这种场景中，保护层711高效地兼作钝化层510。
[0096] 图8示出了可以与本装置一起使用的不同的电极构型。如前提及的，第一传感器 元件803和第二传感器元件804每个都包括电极对806、807,电极对806、807被配置为使 得交流电能够流动通过各自的传感器材料805、808。第一传感器元件803和/或第二传感 器元件804的电极对806、807可以包括交叉指型梳状电极（图8a)，穿插螺旋电极（图8b) 或平行板电极（图8c)。
[0097] 传感器材料805、808对环境809中的流体的亲和力将影响所采用的电极构型。使 用交叉指型梳状电极和穿插螺旋电极，电极对的两个电极（即，阳极806和阴极807)被形 成在传感器材料805、808的相同表面（典型地下表面）上。这种布置允许传感器材料805、 808的更大的表面面积与环境809相互作用，但是导致比平行板构型低的每单位面积的电 容。使用平行板构型，传感器材料805、808被夹在两个电极806、807之间（如在图8d中示 出的），导致更少数量的材料805、808被暴露于周围环境809以用于与流体相互作用。然 而尽管减少了表面面积，但是已经发现平行板构型适用于与石墨烯氧化物一起使用。这是 由于在材料的片晶之间的水分子的高移动性，该材料的片晶允许水进出在传感器元件803、 804的周界处在被暴露的区域812中的材料。与平行板构型相关联的每单位面积更高的电 容促进了传感器元件803、804的微型化。在用于感测不同流体的其它材料的情况下，平行 板构型也是可以适用的。
[0098] 当第一传感器元件80 3和/或第二传感器元件804包括一对平行板电极时，一个 或两个电极806、807可以被配置为用作钝化层510和/或保护层711。这有助于减少形成 装置所要求的材料层（和制造步骤）的数量。另外或可替代地，一个或两个电极806、807 可以包括多孔电极材料，该多孔电极材料被配置为使得流体能够从环境809扩散到传感器 材料 805、806。
[0099] 图9示出了本装置的一个示例。该装置可以是以下中的一个或多个：电子设备、便 携式电子设备、便携式电信设备、传感器、可穿戴设备、手腕带、针对上述中的一个或多个的 用户接口、针对上述中的一个或多个的电子显示器，或针对上述中的一个或多个的模块。当 该装置是可穿戴设备或手腕带（或形成可穿戴设备或手腕带的一部分）时，制作该装置的 材料中的一些或全部材料可以是柔性的和/或可伸缩的（即，弹性材料）。
[0100] 在所示出的示例中，该装置是电子设备913，电子设备913包括本文中描述的第一 传感器元件903和第二传感器元件904、接口电路914、电池915、处理器/控制器916、存储 介质917、电子显示器918、扬声器919和传送器920,它们通过数据总线921彼此电连接。
[0101] 如前所述，第一传感器元件903和第二传感器元件904被配置为允许基于在环境 中的第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结果来确定该环境的温度 和流体相对蒸气压力。尽管在本文中提供的示例中的每个示例中已经描述了仅两个传感器 元件903、904,但是，装置913可以包括超过两个传感器元件（但是不少于两个）。另外的 传感器元件的使用能够用于增加测量结果的准确性和/或允许同时监测多种流体的相对 蒸气压力。例如，在后一种场景中，第三传感器元件能够被功能化为检测化学蒸气而第一传 感器元件903和第二传感器元件904用于估计温度和湿度依赖性两者。
[0102] 处理器916被配置为，通过向其它组件提供信令和从其它组件接收信令以管理它 们的操作，用于装置913的一般操作。另外，处理器916被配置为接收电气性质测量结果以 及执行本文中描述的计算（例如，使用存储在存储介质917上的一个或多个算法）以确定 环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0103] 存储介质917被配置为存储计算机代码，该计算机代码被配置为执行、控制或启 用装置913的操作。存储介质917还可以被配置为存储针对其它组件的设置。处理器916 可以访问存储介质917以检索组件设置以便管理其它组件的操作。存储介质917还可以被 配置为存储针对传感器元件903、904中的一个或两个传感器元件的温度和/或湿度校准数 据以供处理器916在确定环境的温度和流体相对蒸气压力中使用。
[0104] 处理器916可以是微处理器，包含专用集成电路（AISC)。存储介质917可以是暂 时性的存储介质，诸如易失性随机存取存储器。在另一方面，存储介质917可以是持久存储 介质，诸如硬盘驱动器、闪速存储器，或非非易失性随机存取存储器。
[0105] 接口电路914被配置为将来自第一传感器元件903和第二传感器元件904的输出 信号转换为适用于由处理器916使用的形式。
[0106] 接口电路914可以包括：分压器、惠尔通电桥、相位敏感检测电路，或任何其它适 当的测量电路。接口电路914还可以包括适当的放大器、缓冲器、滤波器等以用于将传感器 响应匹配到控制器输入，和/或模拟至数字转换器以用于将模拟传感器响应转换为用于由 数字控制器处理的数字信号。
[0107] 电子显示器918被配置为向装置913的用户显示环境的温度和湿度；扬声器919 被配置为将温度和湿度输出为由用户能够检测的音频信号（即，声音）；以及传送器920被 配置为将温度和湿度（最终的结果和/或原始数据）传送给诸如用户的移动电话的远程装 置。因此，传送器920允许装置913被放置在远离于用户的位置处，以便用户能够（例如经 由他/她移动电话）监视远程环境的温度和湿度。
[0108] 当被测量的电气性质是电容时，装置913可以包括：一个或多个参考电容器，它们 能够被切换（switched)以替换第一传感器元件903和/或第二传感器元件904。这允许第 一传感器材料和/或第二传感器材料的电容被测量作为针对参考电容器的电容的比率，从 而消除可能以其它方式由各种组件所引入的任何误差（例如，由于放大器漂移等）。同样 地，当被测量的电气性质是电阻时，装置913可以包括一个或多个参考电阻器。
[0109] 在图10中示意性地说明了使用本装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力 的方法的主要步骤1022-1023。类似地，在图11中说明了制造本装置的方法的主要步骤 1124-1126。取决于所选择的特定材料，许多不同的制造技术可以用于生产第一传感器材料 和第二传感器材料。以下方法可以用于形成石墨烯氧化物的薄膜。
[0110] 能够从例如GrapheneSquareInc购买石墨稀氧化物溶液，该石墨稀氧化物溶液 包括：石墨烯氧化物片晶、水、有机溶剂和稳定剂。接着，通过旋转涂覆、滴落铸造、喷涂或 喷墨打印，该溶液可以被沉积在基底（诸如PET或PEN)之上，以及能够使用标准的光刻 (lithographic)工艺或印刷技术，在其上形成电极。旋转涂覆用于创建在厚度中几纳米的 大的均质薄膜，而如果在基底的特定区域上形成传感器材料，则滴落铸造可以是优选的。在 沉积溶液前，应当调整基底的疏水性以确保润湿性（wetability)( -般地，基底越亲水，则 溶液将更加扩散）。这可以通过基底表面的官能化或氧等离子体处理来实现。能够通过溶 液的浓度和粘度，以及旋转速度（如果使用旋转涂覆的话），来控制薄膜的厚度。在溶液已 经被沉积在基底上后，留下样品以允许水和有机溶剂蒸发。真空炉可以用于减少干燥时间， 但是能够导致薄膜中的裂缝。可替代地，可以在控制的环境条件下在预先加热的滚筒上，使 样品变干，以确保水和有机溶剂的快速蒸发而不形成裂缝。沉积和干燥工艺可能需要重复 一次或两次以便形成无针孔膜。
[0111] 图12示意性地说明了根据一个实施例的提供计算机程序的计算机/处理器可读 介质1227。在这个示例中，计算机/处理器可读介质1227是盘，诸如数字通用盘（DVD)或 光盘（CD)。在其它实施例中，计算机/处理器可读介质1227可以是已经以关于执行本发明 功能的此类方式被编程的任何介质。计算机/处理器可读介质1227可以是可移动存储设 备，诸如存储棒或存储卡（SD、小型SD、微型SD或纳米SD)。
[0112] 计算机程序可以包括计算机代码，该计算机代码被配置为执行、控制或启用图10 或图11的方法步骤1022-1023U124-1126中的一个或多个方法步骤。特别地，该计算机程 序可以被配置为测量在环境中的第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质，以及基于 组合的电气性质测量结果，确定该环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0113] 在图中描绘的其它实施例已经拥有对应于更早描述的实施例的类似特征的参考 数字。例如，特征数字1也能够对应于数字101、201、301等。这些编号的特征可以出现在 图中，但是在这些特定实施例的描述内可能没有直接提及。在图中仍然提供这些参考数字 以帮助理解另外的实施例，特别是有关于类似更早描述的实施例的特征。
[0114] 技术读者将了解的是，可以由装置（该装置被布置为使得它们被配置为：仅当启 用（例如，接通或诸如此类）时，执行期望的操作）来提供任何提及的装置/设备和/或特 定提及的装置/设备的其它特征。在此类情况下，它们在非启用（例如，关断状态）中不必 使得适当的软件被载入到活动存储器中，以及在启用（例如，接通状态）中才载入适当的软 件。该装置可以包括硬件电路和/或固件。该装置可以包括被载入到存储器上的软件。此 类软件/计算机程序可以被记录在相同的存储器/处理器/功能单元上和/或在一个或多 个存储器/处理器/功能单元上。
[0115] 在一些实施例中，可以使用适当的软件对特定提及的装置/设备进行预编程以执 行期望的操作，以及其中能够通过用户下载"密钥"例如以解锁/启用该软件和它的相关联 功能来启用适当的软件以供使用。与此类实施例相关联的优点能够包含：当对设备而言需 要另外的功能时，降低对下载数据的要求，以及在感知到设备具有足够的容量以存储针对 可能没有被用户启用的功能的此类预编程软件的示例中，这能够是有用的。
[0116] 将了解的是，任何提及的装置/电路/元件/处理器可以具有除了提及的功能之 外的其它功能，以及可以由相同的装置/电路/元件/处理器来执行这些功能。一个或多 个公开的方面可以包含：记录在适当载体（例如，存储器、信号）上的相关联的计算机程序 和计算机程序（其可以是源/传输编码）的电子分发。
[0117] 将了解的是，本文中描述的任何"计算机"能够包括：一个或多个个体处理器/处 理元件的集合，其可以或可以不位于在相同的电路板，或电路板或甚至相同设备的相同区 域/方位上。在一些实施例中，任何提及的处理器中的一个或多个处理器可以分布在多个 设备上。相同或不同的处理器/处理单元可以执行本文描述的一个或多个功能。
[0118] 将了解的是，术语"信令"可以指被传送作为一系列的传送和/或接收的信号的一 个或多个信号。一系列信号可以包括一个、两个、三个、四个或甚至更多的个体信号分量或 不同的信号以组成所述信令。这些个体信号中的一些或所有信号 可以同时地依次地被传送 /接收，和/或使得它们暂时地彼此覆盖。
[0119] 关于任何提及的计算机和/或处理器和存储器（例如，包含ROM、OT-ROM等）的任 何论述，这些可以包括：计算机处理器、专用集成电路（ASIC)、现场可编程门阵列（FPGA)和 /或已经以执行本发明的功能的方式进行编程的其它硬件组件。
[0120] 在此，本申请独立地公开了本文中描述的每个个体特征以及两个或更多此类特征 的组合，鉴于本领域的技术人员的公知常识，总体来说在一定程度上能够基于本说明书来 实现此类特征或组合，而不管此类特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，以 及不限制于权利要求书的范围。申请人表明的是，所公开的方面/实施例可以由任何此类 个体特征或特征的组合组成。鉴于上述描述，对于本领域的技术人员将明显的是，可以在本 公开的范围内做出各种修改。
[0121] 虽然已经示出和描述以及指出了本发明的基本的新颖特征（如应用于其不同实 施例），但是将理解的是，在不背离本发明的精神的情况下，可以由本领域的技术人员在所 描述的设备和方法的形式和细节上做出各种省略和替代和改变。例如，清楚地旨在的是，那 些元件和/或方法步骤的所有组合（其以基本上相同的方式基本上执行相同的功能以获得 相同的结果）是在本发明的范围内。此外，应当认识到的是，结合任何公开的形式或实施例 示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以被并入任何其它公开的或描述的或 建议的形式或实施例作为设计选择的一般事项。此外，在权利要求书中，装置加功能的条款 旨在覆盖本文中描述的如执行所述功能的结构，以及不仅覆盖结构上等同而且覆盖等同结 构。因此，虽然钉子和螺丝钉可能不是结构上等同，在于钉子利用圆柱面以将木材部件紧固 在一起，而螺丝钉利用螺旋面，但是在紧固木材部件的环境中，钉子和螺丝钉可以是等同的 结构。
【主权项】
1. 一种装置，所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件 包括第一传感器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感 器材料被配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二 传感器元件所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器 材料的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流 体的相对蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压 力的依赖性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质 的组合测量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。2. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器材料的电气性质还依赖于在所述环 境中的流体的相对蒸气压力，以及所述第二传感器材料的电气性质还依赖于所述环境的温 度。3. 权利要求2所述的装置，其中所述第一传感器材料的温度和流体相对蒸气压力的依 赖性不同于所述第二传感器材料的温度和流体相对蒸气压力的依赖性。4. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器材料不同于所述第二传感器材料。5. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都包括氧 化物材料，以及其中所述第一传感器材料的氧化物材料具有与所述第二传感器材料的氧化 物材料不同的氧化态。6. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料包括：在所述第二传感器材料中 不存在的一个或多个官能团。7. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都包括一 个或多个官能团，以及其中所述第一传感器材料的一个或多个官能团不同于所述第二传感 器材料的一个或多个官能团。8. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器元件包括所述第二传感器元件不存在 的钝化层，所述钝化层被配置为防止所述第一传感器材料暴露于所述环境中的流体。9. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都包括具 有间隙间距的一堆伪二维片晶，以及其中在相同环境条件下，在所述第一传感器材料中的 伪二维片晶的间隙间距不同于在所述第二传感器材料中的伪二维片晶的间隙间距。10. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器材料和/或第二传感器材料包括以下 中的一个或多个：石墨稀、石墨稀氧化物、氮化硼、fluorographene、氢化石墨稀、硫化鹤和 二硫化钼。11. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器元件和第二传感器元件中的一个或 多个包括保护层，所述保护层被配置为分别防止对所述第一传感器材料和第二传感器材料 的损害，以及其中所述保护层包括允许在所述环境中的流体通过的材料以使得能够防止对 传感器材料的损害而不防止确定所述环境的流体相对蒸气压力。12. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器元件或第二传感器元件包括保护层， 所述保护层被配置为分别防止对所述第一传感器材料或第二传感器材料的损害，以及其中 所述保护层被配置为防止各自的传感器材料暴露于在所述环境中的流体。13. 权利要求1所述的装置，其中所述流体相对蒸气压力提供所述环境的相对湿度的 指示。14. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器元件和第二传感器元件每个都包括 电极对，所述电极对被配置为使得交流电能够流动通过各自的传感器材料。15. 权利要求14所述的装置，其中所述第一传感器元件的电极对包括与所述第二传感 器元件的电极对不同的电极几何形状和/或电极材料。16. 权利要求14所述的装置，其中所述第一传感器元件和/或第二传感器元件的电极 对包括交叉指型梳状电极，穿插螺旋电极或平行板电极。17. 权利要求16所述的装置，其中所述第一传感器元件和/或第二传感器元件的所述 平行板电极中的一个或两个被配置为用作各自传感器元件的钝化层和/或保护层。18. 权利要求1所述的装置，其中所述装置是以下中的一个或多个：电子设备、便携式 电子设备、便携式电信设备、传感器、可穿戴设备、手腕带、针对上述中的一个或多个的用户 接口、针对上述中的一个或多个的电子显示器，以及针对上述中的一个或多个的模块。19. 一种使用装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力的方法， 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一传感 器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被配置 为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电 气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气 压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允 许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结 果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力， 所述方法包括：测量所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质，以及基于组 合的电气性质测量结果，确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。20. -种包括计算机代码的计算机程序，所述计算机代码被配置为使用装置来确定环 境的温度和流体相对蒸气压力， 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一传感 器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被配置 为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电 气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气 压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允 许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结 果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力， 所述计算机代码被配置为测量在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材 料的电气性质，以及基于组合的电气性质测量结果，确定所述环境的温度和流体相对蒸气 压力。
【专利摘要】一种装置(409)包括第一传感器元件和第二传感器元件(403、404)，所述第一传感器元件(403)包括第一传感器材料(405)，以及所述第二传感器元件(405)包括第二传感器材料(408)，其中所述第一传感器材料(405)被配置为使得所述第一传感器材料(405)的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件(403、404)所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料(408)被配置为使得所述第二传感器材料(408)的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件(403、404)所位于的环境中的流体的相对蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料(405、408)的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料(405、408)的电气性质的组合测量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
【IPC分类】G01K7/34, G01N27/12
【公开号】CN104903713
【申请号】CN201380069951
【发明人】S·博里尼, R·怀特, E·斯皮戈内, M·阿斯特莱, D·魏, J·基维奥亚, T·吕海宁
【申请人】诺基亚技术有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月4日
【公告号】EP2943782A1, US9080928, US20140196522, WO2014108597A1
【技术领域】
[0001] 本公开涉及环境传感器领域、相关联的方法和装置，以及尤其关注低成本集成传 感器，该低成本集成传感器能够测量周围环境的温度和流体的相对蒸气压力。某些公开的 示例方面/实施例涉及便携式电子设备，特别地，所谓的手持便携式电子设备，其在使用中 可以是手持式的（尽管在使用中可以将它们放在托架上）。此类手持便携式电子设备包含 所谓的个人数字助理（PDAs)和平板PCs。
[0002] 根据一个或多个所公开的示例方面/实施例的便携式电子设备/装置可以提供 一个或多个音频/文本/视频通信功能（例如，电信、视频通信和/或文本传输，短消息服 务（SMS)/多媒体消息服务（MMS)/电子邮件收发功能，交互式/非交互式观看功能（例如， 网络浏览、导航、TV/节目观看功能）、音乐记录/播放功能（例如，MP3或其它格式和/或 (FM/AM)无线电广播记录/播放）、数据的下载/发送功能、图像捕获功能（例如，使用（例 如内建的）数字相机），以及游戏功能。
【背景技术】
[0003] 当前，在市场上不能获得低成本的集成的柔性的温度和湿度传感器。本文中公开 的装置和方法可能解决或可能不解决这个问题。
[0004] 在先发布的文档和在本说明书中的任何背景中的列表或论述不应当必须被认为 是承认该文档或背景是现有技术的一部分或是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施 例可以解决或可以不解决背景问题中的一个或多个背景问题。
【发明内容】
[0005] 根据第一方面，提供了一种装置，所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元 件，所述第一传感器元件包括第一传感器材料，所述第二传感器元件包括第二传感器材料， 其中所述第一传感器材料被配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一 传感器元件和第二传感器元件所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使 得所述第二传感器材料的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境中的流体的相对蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度 和流体相对蒸气压力的依赖性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感 器材料的电气性质的组合测量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0006] 如贯穿于本说明书中所使用的术语"相对蒸气压力"可以采用的含义是在给定温 度处的流体的部分蒸气压力和它的饱和蒸气压力之间的比率。
[0007] 所述第一传感器材料的电气性质还可以依赖于在环境中的流体的相对蒸气压力。 所述第二传感器材料的电气性质还可以依赖于环境的温度。第一传感器材料的温度和流体 相对蒸气压力的依赖性可以不同于第二传感器材料的温度和流体相对蒸气压力的依赖性。
[0008] 所述第一传感器材料可以不同于所述第二传感器材料。所述第一传感器材料和第 二传感器材料每个都可以包括氧化物材料。所述第一传感器材料的氧化物材料可以具有与 第二传感器材料的氧化物材料不同的氧化态。所述第一传感器材料可以包括：在所述第二 传感器材料中不存在的一个或多个官能团（functionalgroups)。所述第一传感器材料和 第二传感器材料每个都可以包括一个或多个官能团。所述第一传感器材料的一个或多个官 能团可以不同于所述第二传感器材料的一个或多个官能团。
[0009] 所述第一传感器元件可以包括所述第二传感器元件不存在的钝化层。所述钝化层 可以被配置为防止所述第一传感器材料暴露于环境中的流体。所述钝化层可以包括含氟聚 合物（诸如，由AGC化学品欧洲有限责任公司提供的Cytop?)。
[0010] 所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都可以包括具有间隙 (interstitial)间距的一堆伪二维片晶（pseudotwo-dimensionalplatelets)。在相同 环境条件下，在所述第一传感器材料中的伪二维片晶的间隙间距可以不同于在所述第二传 感器材料中的伪二维片晶的间隙间距。
[0011] 第一传感器材料和/或第二传感器材料可以包括以下中的一个或多个：石墨烯、 石墨稀氧化物、氮化硼、fluorographene、氢化石墨稀、硫化鹤和二硫化钼。
[0012] 所述第一传感器元件和第二传感器元件中的一个或多个可以包括保护层，所述保 护层被配置为分别防止对所述第一传感器材料和第二传感器材料的损害。所述保护层可以 包括允许环境中的流体通过的材料以使得能够防止对传感器材料的损害而不防止确定环 境的流体相对蒸气压力。所述保护层可以包括嵌段共聚物。
[0013] 流体相对蒸气压力可以提供环境的相对湿度的指示。流体可以包括液体和气体中 的一个或多个。流体可以包括水。
[0014] 第一传感器元件和第二传感器元件每个都可以包括电极对，该电极对被配置为使 得交流电能够流动通过各自的传感器材料。第一传感器元件的电极对可以包括与第二传感 器元件的电极对不同的电极几何形状和/或电极材料。第一传感器元件和/或第二传感器 元件的电极对可以包括交叉指型梳状电极，穿插（interpenetrating)螺旋电极或平行板 电极。第一传感器元件和/或第二传感器元件的平行板电极中的一个或两个可以被配置为 用作各自传感器元件的钝化层和/或保护层。
[0015] 电气性质可以是以下中的一个或多个：阻抗、电阻、电导、电抗和电容。该装置可以 包括：一个或多个参考组件（例如，电容器或电阻器），该一个或多个参考组件被配置为使 得第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质（例如，电容或电阻）能够分别被测量作 为针对该一个或多个参考组件的电气性质的比率。
[0016] 该装置可以包括：控制器，所述控制器被配置为接收第一传感器材料和第二传感 器材料的电气性质测量结果，以及基于所接收的电气性质测量结果来确定环境的温度和流 体相对蒸气压力。该装置可以包括接口电路，该接口电路被配置为将来自第一传感器元件 和第二传感器元件的输出信号转换成适合于由控制器使用的形式。该接口电路可以包括以 下中的一个或多个：分压器、惠斯通电桥、相位敏感检测电路，以及模拟至数字转换器。
[0017] 该装置可以是以下中的一个或多个：电子设备、便携式电子设备、便携式电信设 备、传感器、可穿戴设备、手腕带、针对上述中的一个或多个的用户接口、针对上述中的一个 或多个的电子显示器，以及针对上述中的一个或多个的模块。
[0018] 根据另一个方面，提供了使用装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力的方 法，
[0019] 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一 传感器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被 配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元 件所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相 同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对 蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖 性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测 量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力，
[0020] 所述方法包括：测量所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质，以及基 于组合的电气性质测量结果，确定环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0021] 根据另一个方面，提供了制造包括第一传感器元件和第二传感器元件的装置的方 法，所述方法包括：
[0022] 形成第一传感器元件，所述第一传感器元件包括第一传感器材料，所述第一传感 器材料被配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二 传感器元件所位于的环境的温度；以及
[0023] 形成第二传感器元件，所述第二传感器元件包括第二传感器材料，所述第二传感 器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和 第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气压力，
[0024] 所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖 性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测 量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0025] 本文中公开的任何方法的步骤不是必须以所公开的精确顺序来执行，除非明确地 指出或由本领域的技术人员理解。
[0026] 用于实现本文中公开的方法中的一个或多个方法的相应的计算机程序（其可以 被记载在载体上或不被记录在载体上）也在本公开内以及由所描述的示例实施例中的一 个或多个示例实施例涵盖。
[0027] 根据另一个方面，提供包括计算机代码的计算机程序，所述计算机代码被配置为 使用装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0028] 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一 传感器材料，所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被配置 为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电 气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气 压力，所述第一传感器材料和第 二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允 许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结 果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力，
[0029] 所述计算机代码被配置为测量在环境中的第一传感器材料和第二传感器材料的 电气性质，以及基于组合的电气性质测量结果，确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0030] 本公开包含在孤立中或在各种组合中的一个或多个对应的方面、示例实施例或特 征，而不管在该组合中或在孤立中是否被明确地阐明（包含要求保护）。用于执行所论述的 功能的一个或多个功能的对应的构件也在本公开内。
[0031] 上述概述旨在仅是示例性和非限制性的。
【附图说明】
[0032] 现在参照附图仅作为示例来给出描述，其中：
[0033] 图la示出了根据温度的石墨稀氧化物的阻抗谱（频率范围40Hz_110MHz);
[0034] 图lb示出了根据相对湿度的石墨稀氧化物的阻抗谱（频率范围40Hz_110MHz);
[0035] 图2示出了通过石墨烯氧化物片晶的伪二维堆的水蒸发；
[0036] 图3示出了根据相对湿度的通过具有和不具有石墨烯氧化物膜的开孔的水渗透 率；
[0037] 图4示出了根据本公开的一个实施例的第一传感器元件和第二传感器元件；
[0038] 图5示出了根据本公开的另一个实施例的第一传感器元件和第二传感器元件；
[0039] 图6a示出了在两个不同温度处根据相对湿度的石墨烯氧化物的电容；
[0040] 图6b示出了在两个不同温度处根据相对湿度的石墨烯氧化物的电导；
[0041] 图7示出了根据本公开的另一个实施例的第一传感器元件和第二传感器元件；
[0042] 图8a示出了叉指型梳状电极的几何形状；
[0043] 图8b示出了穿插螺旋电极的几何形状；
[0044] 图8c示出了平行板电极的几何形状；
[0045] 图8d示出了在横截面中的图8c的平行板电极的几何形状；
[0046] 图9示出了包括本文中描述的第一传感器元件和第二传感器元件的装置；
[0047] 图10示出了使用图9的装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力的方法的主 要步骤；
[0048] 图11示出了制造图9的装置的方法的主要步骤；
[0049] 图12示出了包括计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序被配置为执行、控 制或启用图10和/或图11的方法步骤中的一个或多个方法步骤；
[0050] 图13a示出了用于表示基于石墨烯氧化物的传感器元件的等效电路；以及
[0051] 图13b示出了用于表示包括具有小于50nm的厚度的石墨烯氧化物传感器材料的 传感器元件的等效电路。
【具体实施方式】
[0052] 已经发现石墨烯氧化物的阻抗指数地依赖于它所位于的环境的温度和相对湿度。 在图la和图lb中说明了这种情况，图la和图lb分别示出了根据温度（在45%的相对湿 度）和相对湿度（在25°C的温度）的石墨烯氧化物的复阻抗谱。
[0053] 温度和湿度依赖性没有被充分理解，但是可以与材料的分层结构有关。如在图2 中示出的，石墨烯氧化物包括：一堆伪二维片晶201 (具有间隙间距"d"），它们允许水202 渗透通过该材料。渗透率依赖于环境的温度和相对湿度两者。图3示出了通过开孔和使用 0. 5ym厚的石墨烯氧化物膜覆盖该相同孔的水蒸发的速率。在100 %相对湿度，水渗透通 过石墨烯氧化物就好像那里没有膜。针对这种行为的一种可能解释是周围环境的相对湿度 (以及还有温度）影响石墨烯氧化物片晶的间隙间距，这进而指示了能够被该材料吸收的 水的数量。当水填充片晶之间的空间时，该材料的厚度增加以及在水分子和导致阻抗中变 化的石墨烯氧化物之间发生电荷转移。
[0054] 石墨烯氧化物的阻抗还依赖于通过该材料的交流电的频率（《)。在笛卡尔形式 中，由以下表达式来给出复阻抗（Z)
[0055] Z=X-iY 方程式 1
[0056] 其中X是阻抗的实数部分（S卩电阻）以及Y是阻抗的虚数部分（S卩电抗）。在温 度和湿度值的一些范围中，实数和虚数部分对频率、温度（T)和相对湿度（H)的依赖性能够 通过以下方程式来描述：
[0057] X(?，T，H) =FX[? (T，H)] ?e-(clT+E!H) 方程式 2
[0058] Y(?，T，H) =FY[? (T，H)] ?e-(clT+E!H) 方程式 3
[0059] ? (T,H) = ?0e_(aT+EiH) 方程式 4
[0060] 其中a和0是材料特定的温度和湿度系数。
[0061] 如在背景部分中提及的，当前，在市场上不能获得低成本的集成的柔性的温度和 湿度传感器。本文中公开的装置和方法可以解决或可以不解决这个问题。尽管以下论述参 考相对湿度的测量，但是本装置不是仅局限于空气中的水蒸气的相对蒸气压力（例如，浓 度）。相反，合适配置的如本文中描述的装置可以用于测量在周围环境中的任何流体（其可 以包括液体和/或气体）的相对蒸气压力。
[0062] 如在图4中示出的，本装置包括第一传感器元件403和第二传感器元件404。第一 传感器元件403包括：第一传感器材料405和电极对406、407,电极对406、407被配置为使 得交流电能够流动通过第一传感器材料405,以及第二传感器元件404包括：第二传感器材 料408和电极对406、407,电极对406、407被配置为使得交流电能够流动通过第二传感器材 料 408。
[0063] 第一传感器材料405被配置为使得第一传感器材料405的电气性质（例如，阻抗、 电阻、电导、电抗和/或电容）依赖于第一传感器元件403和第二传感器元件404所位于的 环境409的温度，以及第二传感器材料408被配置为使得第二传感器材料408的相同电气 性质依赖于第一传感器元件403和第二传感器元件404所位于的环境409中的流体（例如， 水）的相对蒸气压力。第一传感器材料405和第二传感器材料408的各自温度和流体相对 蒸气压力的依赖性允许基于在环境409中的第一传感器材料405和第二传感器材料408的 电气性质的组合测量结果来确定环境409的温度和流体相对蒸气压力（例如，相对湿度）。
[0064] 第一传感器材料405的电气性质还可以依赖于在环境409中的流体的相对蒸气压 力，以及第二传感器材料408的电气性质还可以依赖于环境409的温度。然而，在这个场景 中，第一传感器材料405的温度和流体相对蒸气压力的依赖性（分别由系数a0 1来 表示）必须不同于第二传感器材料408的温度和流体相对蒸气压力的依赖性（分别由系数 a2和0 2来表示）。
[0065] 实际上，这可以以多种不同方式来取得。一种方法是使用针对第一传感器元件403 和第二传感器元件404的不同的传感器材料405、408。类似石墨烯氧化物，每个传感器材 料405、408应当包括一堆伪二维片晶以使得能够从环境409吸收流体。合适的材料包含： 石墨稀、石墨稀氧化物、还原的或部分还原的石墨稀氧化物、氮化硼、fluorographene、氢化 石墨烯、硫化钨、二硫化钼，或它们的任何组合。可以选择第一传感器材料405和第二传感 器材料408使得在第一传感器材料405中的伪二维片晶402的间隙间距不同于在第二传感 器材料408中的伪二维片晶402的间隙间距。
[0066] 另一种选项是针对每个传感器元件403、404使用相同的氧化物材料405、408 (例 如，石墨烯氧化物）但是具有不同的氧化态。能够通过激光照射，或通过其它方法，化学地 控制氧化程度。这可以用于增加或减少流体进入材料405、408的渗透（例如，通过改变材 料405、408的亲水性），和/或用于改变材料405、408与流体的相互作用，以便调节温度和 湿度依赖性。另外或可替代地，可以将一个或多个官能团添加到第一传感器材料405但是 不添加到第二传感器材料408,或可以将不同的官能团添加到每个传感器材料405、408。
[0067] 另一种选项是针对第一传感器元件403和第二传感器元件404使用相同的传感器 材料405、408,但是针对每个传感器元件403、404使用不同的电极构型（例如，叉指型梳状 电极、穿插螺旋电极或平行板电极）和/或不同的电极材料。例如，针对第一传感器元件 403的银电极406、407和针对第二传感器元件404的氧化银电极406、407的使用能够导致 系数a0 1不同于系数a^和0 2。
[0068] 另一个选项是将钝化层510添加到传感器元件503、504中的一个传感器元件。在 图5中示出了这种配置，其中将钝化层510添加到第一传感器元件503而不是添加到第二 传感器元件504。可以从防止传感器材料505暴露于环境509中的流体的任何材料来形成 钝化层510。例如，当流体是周围空气中的水时，钝化层510可以包括疏水性材料（诸如含 氟聚合物）以防止此类暴露。当钝化层510被添加到传感器元件503中的一个传感器元件 时，各自传感器材料505的电气性质变成独立于在周围环境509中的流体的相对蒸气压力 (但是仍然随着温度而变化）。因此，针对这个传感器元件503而言，湿度系数（f^)变为 零。
[0 069] 在装置能够用于测量环境509的温度和相对湿度之前，必须计算每个传感器材料 (505、508)的温度和湿度系数（a，0)。这可以通过将每个传感器元件503、504建模为等 效电路来完成，在该等效电路中，仅两个参数根据温度和相对湿度而变化。一般能够通过 使用图13a中示出的等效电路来获得石墨烯氧化物膜的阻抗谱。等效电路包括：串联电阻 (Rs)、双层电容（Cdl)、电荷转移电阻（RJ和常相位元件（CPE-W)。在改变环境的温度和/ 或相对湿度时，影响仅电荷转移电阻和常相位元件。例如，在温度和相对湿度的范围（即， 15°C<T< 45°C和0. 3 <H< 0. 8)内，能够通过以下方程式来描述电荷转移电阻的变化：
[0070] log(Rj=log(R〇) +a(T_T〇) +f3 (H-H。） 方程式 5
[0071] 其中R。是在温度和湿度（TQ，HQ)的参考条件下的电荷转移电阻，以及1^是在任何 其它温度和湿度条件（T，H)下的电荷转移电阻。类似的关系应用于等效电路的常相位元件 (CPE-W)〇
[0072] 因此，能够通过测量在三种不同环境条件（T。，HQ)、（T。，氏）和〇\，H。）下在环境控 制的控制室中的电荷转移电阻（或其它参数）以及求解所产生的联立方程组，来确定每个 传感器元件503、504的温度和湿度系数。实际上，能够通过测量阻抗谱以及根据等效电路 来拟合它来获得电荷转移电阻的值。
[0073] -旦a" |3 "a2和|3 2是已知的，则能够通过组合针对两个传感器元件503、504 的方程式5并且求解所产生以下方程式，来测量（外部）环境509的温度和相对湿度：
[0076] 其中下标"1"和"2"分别与第一传感器元件503和第二传感器元件504有关。
[0077] 在非常薄的石墨稀氧化物薄膜（films)(例如，具有小于50nm的厚度）的情况下， 能够忽略在等效电路中的常相位元件（CPE-W)的贡献。因此，能够从包括仅并联的双层电 容（Cdl)和电荷转移电阻（RJ的更简单的等效电路（图13b中示出）来获得阻抗谱。使 用这种等效电路，仅电荷转移电阻依赖于温度和相对湿度。因此，能够在不需要根据图13a 的等效电路来拟合整个阻抗谱的情况下，来评估温度和相对湿度。准确地说，因为双层电容 (Cdl)随着温度和相对湿度近似地保持恒定，以及与测量频率相比，传感器元件的时间常数 (RrtCdl)典型地短（例如，~l〇〇us)，因此能够测量作为分压器或惠尔通电桥电路的一部分 的电荷转移电阻（RJ。
[0078] 在另一方面，在厚的石墨稀氧化物薄膜（例如，具有大于50nm的厚度）的情况下， 对于确定阻抗谱而言，常相位元件（CPE-W)的贡献可以是相关的。因此，图13b的简化的等 效电路不再可以应用，以及必须根据图13a的等效电路来拟合阻抗谱，以便获得电荷转移 电阻（RJ的值。然而，可替代的方法能够用于利用相对厚的石墨烯氧化物薄膜的阻抗依赖 性以用于感测温度和相对湿度。
[0079] 当在单个频率处执行阻抗测量时，假设Y〈0,阻抗（Z)的实部（X)和虚部（Y)能够 被转换为并联的等效电阻（Rp)和电容（Cp)。通过以下方程式来给出电阻和电容：
[0080] Rp= (1+Q2)X 方程式 8
[0082] 其中Q= |Y|/X。能够通过在给定频率处测量第一和第二基于石墨稀氧化物的传 感器元件的阻抗以及分别使用方程式8和9将这些测量结果转换为电阻（Rp)或电容（Cp)， 来执行温度和相对湿度两者的感测。实际上，能够通过借助于相位敏感检测（典型地被称 为锁相测量）在单个频率处测量阻抗，来确定电阻（Rp)和电容（Cp)。通过将驱动信号的副 本与测量信号混合以及应用低通滤波器，来获得阻抗的同相（X)和不同相（Y)成分。这可 以通过模式混合器、数字信号处理模块，或使用软件来完成。
[0083] 在交流电的某些频率处，根据以下表达式，石墨烯氧化物（以及其它材料）的电容 (Cp)随着温度和相对湿度而变化：
[0085] 其中CQ是温度函数，在本文中被称为"前因子（pre-factor) "，以及针对给定频率 而言，X。是常数。在25°C和45°C处，在图6a中示出了在10kHz频率处随着相对湿度在电容 中的变化。如在图6b中示出的，类似的关系应用于石墨烯氧化物的电导（Gp=l/Rp)。因 此，监测在给定频率处的第一传感器元件和第二传感器元件的电容或电导的值足以获得温 度和相对湿度的测量结果。
[0086] 能够通过如下重新布置方程式10来确定相对湿度：
[0088] 然而，在装置能够用于测量环境509的温度和相对湿度之前，必须确定前因子和 常数。在这个实施例中，第一传感器元件503包括钝化层510而第二传感器元件504没有 钝化层。
[0089] 能够通过测量在环境控制的控制室中的第二传感器材料508的电容同时变化在 恒定温度处的相对湿度，以及将众所周知的线性回归技术应用于所产生的电容对湿度数 据，来找到常数。通过保持温度恒定，在第二传感器材料508的电容中的任何变化能够归因 于在相对湿度中的改变。
[0090] 下一个步骤是测量在环境控制的控制室中的第一传感器材料505的电容同时改 变温度。钝化层510的存在消除了来自第一传感器材料505的任何湿度依赖性。于是，能 够从电容对温度（校准）数据来确定电容和温度之间的关系。
[0091] 能够通过测量第一传感器材料505的电容以及将这个值与校准数据进行比较，来 获得（外部）环境509的温度。线性内插法或外插法可以用于从落入在校准数据中的任何 节点之间的任何电容测量结果，来确定温度。一旦温度是已知的，则能够使用来自校准数据 的预定关系来计算前因子。
[0092] 现在，已经确定了常数和前因子，能够通过测量第二传感器材料508的电容以及 在方程式11中使用这个值，来计算（外部）环境509的相对湿度。
[0093] 通过使用在传感器元件503中的一个传感器元件的钝化层510,以及在产生如由 方程式10定义的响应的频率处应用交流电，能够减少与确定环境509的温度和相对湿度相 关联的处理能力和时间。这是因为能够（分别）直接使用第一传感器元件503和第二传感 器元件504而不需要求解联立方程组，来测量环境509的温度和相对湿度。
[0094] 为了减少与求解方程式11相关联的计算能力（因为，在相对湿度上电容的指数依 赖性未必容易计算），可以在不同的温度范围处在环境控制的控制室中测量随着相对湿度 在第二传感器材料508的电容中的变化，并且将该变化存储在查找表中（S卩，导致如在图6a 中示出的一系列的校准数据集）。一旦，从第一传感器元件503确定了环境509的温度，则 能够通过测量第二传感器材料508的电容并且将它与在查找表中的有关数据集进行比较， 来确定相对湿度。线性内插法和外插法可以用于从落入在校准数据中的两个节点之间的任 何电容测量结果来确定相对湿度。
[0095] 如在图7中说明的，第一传感器元件703和第二传感器元件704中的一个或两个 传感器元件可以包括保护层711，保护层711被配置为分别防止对第一传感器材料705和 第二传感器材料708的损害。如果传感器元件703、704被配置为测量在周围环境709中的 流体的相对蒸气压力，则保护层711应当包括材料（诸如嵌段共聚物），该材料允许流体渗 透以使得能够防止对传感器材料705、708的损害而不防止确定环境709的流体相对蒸气压 力。另一方面，如果传感器元件703、704没有被配置为测量周围环境709中的流体的相对 蒸气压力（例如，在图5中的第一传感器元件503)，则保护层711可以被配置为防止各自的 传感器材料705、708暴露于流体。在这种场景中，保护层711高效地兼作钝化层510。
[0096] 图8示出了可以与本装置一起使用的不同的电极构型。如前提及的，第一传感器 元件803和第二传感器元件804每个都包括电极对806、807,电极对806、807被配置为使 得交流电能够流动通过各自的传感器材料805、808。第一传感器元件803和/或第二传感 器元件804的电极对806、807可以包括交叉指型梳状电极（图8a)，穿插螺旋电极（图8b) 或平行板电极（图8c)。
[0097] 传感器材料805、808对环境809中的流体的亲和力将影响所采用的电极构型。使 用交叉指型梳状电极和穿插螺旋电极，电极对的两个电极（即，阳极806和阴极807)被形 成在传感器材料805、808的相同表面（典型地下表面）上。这种布置允许传感器材料805、 808的更大的表面面积与环境809相互作用，但是导致比平行板构型低的每单位面积的电 容。使用平行板构型，传感器材料805、808被夹在两个电极806、807之间（如在图8d中示 出的），导致更少数量的材料805、808被暴露于周围环境809以用于与流体相互作用。然 而尽管减少了表面面积，但是已经发现平行板构型适用于与石墨烯氧化物一起使用。这是 由于在材料的片晶之间的水分子的高移动性，该材料的片晶允许水进出在传感器元件803、 804的周界处在被暴露的区域812中的材料。与平行板构型相关联的每单位面积更高的电 容促进了传感器元件803、804的微型化。在用于感测不同流体的其它材料的情况下，平行 板构型也是可以适用的。
[0098] 当第一传感器元件80 3和/或第二传感器元件804包括一对平行板电极时，一个 或两个电极806、807可以被配置为用作钝化层510和/或保护层711。这有助于减少形成 装置所要求的材料层（和制造步骤）的数量。另外或可替代地，一个或两个电极806、807 可以包括多孔电极材料，该多孔电极材料被配置为使得流体能够从环境809扩散到传感器 材料 805、806。
[0099] 图9示出了本装置的一个示例。该装置可以是以下中的一个或多个：电子设备、便 携式电子设备、便携式电信设备、传感器、可穿戴设备、手腕带、针对上述中的一个或多个的 用户接口、针对上述中的一个或多个的电子显示器，或针对上述中的一个或多个的模块。当 该装置是可穿戴设备或手腕带（或形成可穿戴设备或手腕带的一部分）时，制作该装置的 材料中的一些或全部材料可以是柔性的和/或可伸缩的（即，弹性材料）。
[0100] 在所示出的示例中，该装置是电子设备913，电子设备913包括本文中描述的第一 传感器元件903和第二传感器元件904、接口电路914、电池915、处理器/控制器916、存储 介质917、电子显示器918、扬声器919和传送器920,它们通过数据总线921彼此电连接。
[0101] 如前所述，第一传感器元件903和第二传感器元件904被配置为允许基于在环境 中的第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结果来确定该环境的温度 和流体相对蒸气压力。尽管在本文中提供的示例中的每个示例中已经描述了仅两个传感器 元件903、904,但是，装置913可以包括超过两个传感器元件（但是不少于两个）。另外的 传感器元件的使用能够用于增加测量结果的准确性和/或允许同时监测多种流体的相对 蒸气压力。例如，在后一种场景中，第三传感器元件能够被功能化为检测化学蒸气而第一传 感器元件903和第二传感器元件904用于估计温度和湿度依赖性两者。
[0102] 处理器916被配置为，通过向其它组件提供信令和从其它组件接收信令以管理它 们的操作，用于装置913的一般操作。另外，处理器916被配置为接收电气性质测量结果以 及执行本文中描述的计算（例如，使用存储在存储介质917上的一个或多个算法）以确定 环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0103] 存储介质917被配置为存储计算机代码，该计算机代码被配置为执行、控制或启 用装置913的操作。存储介质917还可以被配置为存储针对其它组件的设置。处理器916 可以访问存储介质917以检索组件设置以便管理其它组件的操作。存储介质917还可以被 配置为存储针对传感器元件903、904中的一个或两个传感器元件的温度和/或湿度校准数 据以供处理器916在确定环境的温度和流体相对蒸气压力中使用。
[0104] 处理器916可以是微处理器，包含专用集成电路（AISC)。存储介质917可以是暂 时性的存储介质，诸如易失性随机存取存储器。在另一方面，存储介质917可以是持久存储 介质，诸如硬盘驱动器、闪速存储器，或非非易失性随机存取存储器。
[0105] 接口电路914被配置为将来自第一传感器元件903和第二传感器元件904的输出 信号转换为适用于由处理器916使用的形式。
[0106] 接口电路914可以包括：分压器、惠尔通电桥、相位敏感检测电路，或任何其它适 当的测量电路。接口电路914还可以包括适当的放大器、缓冲器、滤波器等以用于将传感器 响应匹配到控制器输入，和/或模拟至数字转换器以用于将模拟传感器响应转换为用于由 数字控制器处理的数字信号。
[0107] 电子显示器918被配置为向装置913的用户显示环境的温度和湿度；扬声器919 被配置为将温度和湿度输出为由用户能够检测的音频信号（即，声音）；以及传送器920被 配置为将温度和湿度（最终的结果和/或原始数据）传送给诸如用户的移动电话的远程装 置。因此，传送器920允许装置913被放置在远离于用户的位置处，以便用户能够（例如经 由他/她移动电话）监视远程环境的温度和湿度。
[0108] 当被测量的电气性质是电容时，装置913可以包括：一个或多个参考电容器，它们 能够被切换（switched)以替换第一传感器元件903和/或第二传感器元件904。这允许第 一传感器材料和/或第二传感器材料的电容被测量作为针对参考电容器的电容的比率，从 而消除可能以其它方式由各种组件所引入的任何误差（例如，由于放大器漂移等）。同样 地，当被测量的电气性质是电阻时，装置913可以包括一个或多个参考电阻器。
[0109] 在图10中示意性地说明了使用本装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力 的方法的主要步骤1022-1023。类似地，在图11中说明了制造本装置的方法的主要步骤 1124-1126。取决于所选择的特定材料，许多不同的制造技术可以用于生产第一传感器材料 和第二传感器材料。以下方法可以用于形成石墨烯氧化物的薄膜。
[0110] 能够从例如GrapheneSquareInc购买石墨稀氧化物溶液，该石墨稀氧化物溶液 包括：石墨烯氧化物片晶、水、有机溶剂和稳定剂。接着，通过旋转涂覆、滴落铸造、喷涂或 喷墨打印，该溶液可以被沉积在基底（诸如PET或PEN)之上，以及能够使用标准的光刻 (lithographic)工艺或印刷技术，在其上形成电极。旋转涂覆用于创建在厚度中几纳米的 大的均质薄膜，而如果在基底的特定区域上形成传感器材料，则滴落铸造可以是优选的。在 沉积溶液前，应当调整基底的疏水性以确保润湿性（wetability)( -般地，基底越亲水，则 溶液将更加扩散）。这可以通过基底表面的官能化或氧等离子体处理来实现。能够通过溶 液的浓度和粘度，以及旋转速度（如果使用旋转涂覆的话），来控制薄膜的厚度。在溶液已 经被沉积在基底上后，留下样品以允许水和有机溶剂蒸发。真空炉可以用于减少干燥时间， 但是能够导致薄膜中的裂缝。可替代地，可以在控制的环境条件下在预先加热的滚筒上，使 样品变干，以确保水和有机溶剂的快速蒸发而不形成裂缝。沉积和干燥工艺可能需要重复 一次或两次以便形成无针孔膜。
[0111] 图12示意性地说明了根据一个实施例的提供计算机程序的计算机/处理器可读 介质1227。在这个示例中，计算机/处理器可读介质1227是盘，诸如数字通用盘（DVD)或 光盘（CD)。在其它实施例中，计算机/处理器可读介质1227可以是已经以关于执行本发明 功能的此类方式被编程的任何介质。计算机/处理器可读介质1227可以是可移动存储设 备，诸如存储棒或存储卡（SD、小型SD、微型SD或纳米SD)。
[0112] 计算机程序可以包括计算机代码，该计算机代码被配置为执行、控制或启用图10 或图11的方法步骤1022-1023U124-1126中的一个或多个方法步骤。特别地，该计算机程 序可以被配置为测量在环境中的第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质，以及基于 组合的电气性质测量结果，确定该环境的温度和流体相对蒸气压力。
[0113] 在图中描绘的其它实施例已经拥有对应于更早描述的实施例的类似特征的参考 数字。例如，特征数字1也能够对应于数字101、201、301等。这些编号的特征可以出现在 图中，但是在这些特定实施例的描述内可能没有直接提及。在图中仍然提供这些参考数字 以帮助理解另外的实施例，特别是有关于类似更早描述的实施例的特征。
[0114] 技术读者将了解的是，可以由装置（该装置被布置为使得它们被配置为：仅当启 用（例如，接通或诸如此类）时，执行期望的操作）来提供任何提及的装置/设备和/或特 定提及的装置/设备的其它特征。在此类情况下，它们在非启用（例如，关断状态）中不必 使得适当的软件被载入到活动存储器中，以及在启用（例如，接通状态）中才载入适当的软 件。该装置可以包括硬件电路和/或固件。该装置可以包括被载入到存储器上的软件。此 类软件/计算机程序可以被记录在相同的存储器/处理器/功能单元上和/或在一个或多 个存储器/处理器/功能单元上。
[0115] 在一些实施例中，可以使用适当的软件对特定提及的装置/设备进行预编程以执 行期望的操作，以及其中能够通过用户下载"密钥"例如以解锁/启用该软件和它的相关联 功能来启用适当的软件以供使用。与此类实施例相关联的优点能够包含：当对设备而言需 要另外的功能时，降低对下载数据的要求，以及在感知到设备具有足够的容量以存储针对 可能没有被用户启用的功能的此类预编程软件的示例中，这能够是有用的。
[0116] 将了解的是，任何提及的装置/电路/元件/处理器可以具有除了提及的功能之 外的其它功能，以及可以由相同的装置/电路/元件/处理器来执行这些功能。一个或多 个公开的方面可以包含：记录在适当载体（例如，存储器、信号）上的相关联的计算机程序 和计算机程序（其可以是源/传输编码）的电子分发。
[0117] 将了解的是，本文中描述的任何"计算机"能够包括：一个或多个个体处理器/处 理元件的集合，其可以或可以不位于在相同的电路板，或电路板或甚至相同设备的相同区 域/方位上。在一些实施例中，任何提及的处理器中的一个或多个处理器可以分布在多个 设备上。相同或不同的处理器/处理单元可以执行本文描述的一个或多个功能。
[0118] 将了解的是，术语"信令"可以指被传送作为一系列的传送和/或接收的信号的一 个或多个信号。一系列信号可以包括一个、两个、三个、四个或甚至更多的个体信号分量或 不同的信号以组成所述信令。这些个体信号中的一些或所有信号 可以同时地依次地被传送 /接收，和/或使得它们暂时地彼此覆盖。
[0119] 关于任何提及的计算机和/或处理器和存储器（例如，包含ROM、OT-ROM等）的任 何论述，这些可以包括：计算机处理器、专用集成电路（ASIC)、现场可编程门阵列（FPGA)和 /或已经以执行本发明的功能的方式进行编程的其它硬件组件。
[0120] 在此，本申请独立地公开了本文中描述的每个个体特征以及两个或更多此类特征 的组合，鉴于本领域的技术人员的公知常识，总体来说在一定程度上能够基于本说明书来 实现此类特征或组合，而不管此类特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，以 及不限制于权利要求书的范围。申请人表明的是，所公开的方面/实施例可以由任何此类 个体特征或特征的组合组成。鉴于上述描述，对于本领域的技术人员将明显的是，可以在本 公开的范围内做出各种修改。
[0121] 虽然已经示出和描述以及指出了本发明的基本的新颖特征（如应用于其不同实 施例），但是将理解的是，在不背离本发明的精神的情况下，可以由本领域的技术人员在所 描述的设备和方法的形式和细节上做出各种省略和替代和改变。例如，清楚地旨在的是，那 些元件和/或方法步骤的所有组合（其以基本上相同的方式基本上执行相同的功能以获得 相同的结果）是在本发明的范围内。此外，应当认识到的是，结合任何公开的形式或实施例 示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以被并入任何其它公开的或描述的或 建议的形式或实施例作为设计选择的一般事项。此外，在权利要求书中，装置加功能的条款 旨在覆盖本文中描述的如执行所述功能的结构，以及不仅覆盖结构上等同而且覆盖等同结 构。因此，虽然钉子和螺丝钉可能不是结构上等同，在于钉子利用圆柱面以将木材部件紧固 在一起，而螺丝钉利用螺旋面，但是在紧固木材部件的环境中，钉子和螺丝钉可以是等同的 结构。
【主权项】
1. 一种装置，所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件 包括第一传感器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感 器材料被配置为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二 传感器元件所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器 材料的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流 体的相对蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压 力的依赖性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质 的组合测量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。2. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器材料的电气性质还依赖于在所述环 境中的流体的相对蒸气压力，以及所述第二传感器材料的电气性质还依赖于所述环境的温 度。3. 权利要求2所述的装置，其中所述第一传感器材料的温度和流体相对蒸气压力的依 赖性不同于所述第二传感器材料的温度和流体相对蒸气压力的依赖性。4. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器材料不同于所述第二传感器材料。5. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都包括氧 化物材料，以及其中所述第一传感器材料的氧化物材料具有与所述第二传感器材料的氧化 物材料不同的氧化态。6. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料包括：在所述第二传感器材料中 不存在的一个或多个官能团。7. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都包括一 个或多个官能团，以及其中所述第一传感器材料的一个或多个官能团不同于所述第二传感 器材料的一个或多个官能团。8. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器元件包括所述第二传感器元件不存在 的钝化层，所述钝化层被配置为防止所述第一传感器材料暴露于所述环境中的流体。9. 权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器材料和第二传感器材料每个都包括具 有间隙间距的一堆伪二维片晶，以及其中在相同环境条件下，在所述第一传感器材料中的 伪二维片晶的间隙间距不同于在所述第二传感器材料中的伪二维片晶的间隙间距。10. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器材料和/或第二传感器材料包括以下 中的一个或多个：石墨稀、石墨稀氧化物、氮化硼、fluorographene、氢化石墨稀、硫化鹤和 二硫化钼。11. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器元件和第二传感器元件中的一个或 多个包括保护层，所述保护层被配置为分别防止对所述第一传感器材料和第二传感器材料 的损害，以及其中所述保护层包括允许在所述环境中的流体通过的材料以使得能够防止对 传感器材料的损害而不防止确定所述环境的流体相对蒸气压力。12. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器元件或第二传感器元件包括保护层， 所述保护层被配置为分别防止对所述第一传感器材料或第二传感器材料的损害，以及其中 所述保护层被配置为防止各自的传感器材料暴露于在所述环境中的流体。13. 权利要求1所述的装置，其中所述流体相对蒸气压力提供所述环境的相对湿度的 指示。14. 权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器元件和第二传感器元件每个都包括 电极对，所述电极对被配置为使得交流电能够流动通过各自的传感器材料。15. 权利要求14所述的装置，其中所述第一传感器元件的电极对包括与所述第二传感 器元件的电极对不同的电极几何形状和/或电极材料。16. 权利要求14所述的装置，其中所述第一传感器元件和/或第二传感器元件的电极 对包括交叉指型梳状电极，穿插螺旋电极或平行板电极。17. 权利要求16所述的装置，其中所述第一传感器元件和/或第二传感器元件的所述 平行板电极中的一个或两个被配置为用作各自传感器元件的钝化层和/或保护层。18. 权利要求1所述的装置，其中所述装置是以下中的一个或多个：电子设备、便携式 电子设备、便携式电信设备、传感器、可穿戴设备、手腕带、针对上述中的一个或多个的用户 接口、针对上述中的一个或多个的电子显示器，以及针对上述中的一个或多个的模块。19. 一种使用装置来确定环境的温度和流体相对蒸气压力的方法， 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一传感 器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被配置 为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电 气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气 压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允 许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结 果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力， 所述方法包括：测量所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质，以及基于组 合的电气性质测量结果，确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。20. -种包括计算机代码的计算机程序，所述计算机代码被配置为使用装置来确定环 境的温度和流体相对蒸气压力， 所述装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件包括第一传感 器材料，以及所述第二传感器元件包括第二传感器材料，其中所述第一传感器材料被配置 为使得所述第一传感器材料的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所 位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料被配置为使得所述第二传感器材料的相同电 气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件所位于的环境中的流体的相对蒸气 压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允 许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料的电气性质的组合测量结 果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力， 所述计算机代码被配置为测量在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材 料的电气性质，以及基于组合的电气性质测量结果，确定所述环境的温度和流体相对蒸气 压力。
【专利摘要】一种装置(409)包括第一传感器元件和第二传感器元件(403、404)，所述第一传感器元件(403)包括第一传感器材料(405)，以及所述第二传感器元件(405)包括第二传感器材料(408)，其中所述第一传感器材料(405)被配置为使得所述第一传感器材料(405)的电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件(403、404)所位于的环境的温度，以及所述第二传感器材料(408)被配置为使得所述第二传感器材料(408)的相同电气性质依赖于所述第一传感器元件和第二传感器元件(403、404)所位于的环境中的流体的相对蒸气压力，所述第一传感器材料和第二传感器材料(405、408)的各自温度和流体相对蒸气压力的依赖性允许基于在所述环境中的所述第一传感器材料和第二传感器材料(405、408)的电气性质的组合测量结果来确定所述环境的温度和流体相对蒸气压力。
【IPC分类】G01K7/34, G01N27/12
【公开号】CN104903713
【申请号】CN201380069951
【发明人】S·博里尼, R·怀特, E·斯皮戈内, M·阿斯特莱, D·魏, J·基维奥亚, T·吕海宁
【申请人】诺基亚技术有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月4日
【公告号】EP2943782A1, US9080928, US20140196522, WO2014108597A1
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