CN107727696A - 电感悬臂梁无线无源湿度传感器 - Google Patents

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王立峰
黄庆安
谢明珠
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Abstract

本发明是一种电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其中，绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感悬臂梁结构(5)的一端与所述锚区结构(4)形成固定连接，所述电感悬臂梁结构(5)的另一端悬空在电感结构(3)的上方；所述电感悬臂梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路；所述感湿薄膜(6)覆盖在所述电感悬臂梁(5)上方。本发明具有体积小、功耗低和可批量生产的优点，利用电感悬臂梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的回滞更小、重复性更好，无需引线和电池供电，能在高温环境、密闭环境或旋转环境等恶劣环境进行湿度测量。

Description

电感悬臂梁无线无源湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种电感悬臂梁无线无源湿度传感器技术,属于微电子技术领域。
背景技术
由于湿度参数和人们的生产和生活是紧密相关的，因此人们很早就开始了对于湿度的测量。凡是有湿度效应的物理或化学过程都可以用来制作湿度传感器。纵观湿度传感器的发展历程，湿度传感器大致是从传统的分立式湿度传感器朝着智能化的集成式湿度传感器方向发展，从有线的湿度传感器向着无线的湿度传感器方向发展。
传统的湿度传感器有着各自的优点，不过其体积大、一致性差等问题还是制约了其在便携式设备和微型电子产品中的应用。而半导体集成湿度传感器则具有体积小、响应快和功耗低等传统分立湿度传感器不具备的优势。由于半导体加工技术的进步，许多传统的分立式湿度计的测湿原理都可以移植到半导体集成湿度传感器上。常见的半导体集成湿度传感器有湿敏电阻式、湿敏电容式等等。随着MEMS(微机电***)技术的出现，又发展出了高深刻比结构、多晶硅微桥结构等等MEMS湿度传感器。
在对一些恶劣环境(如高温环境、密闭环境或旋转环境等)进行湿度测量时，有线的湿度传感器将不再适用。恶劣环境中的湿度测量大都采用无线的工作方式。无线湿度传感器又分为有源和无源两种。无线有源的湿度传感器一般采用射频收发电路进行数据传输，其收发电路依靠电池进行供电。无线无源的湿度传感器一般采用电感近场耦合原理传输数据，传感器结构简单不需要电池供电，特别适用恶劣环境中的应用。
发明内容
技术问题 针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种电感悬臂梁无线无源湿度传感器，可以采用无线无源方式进行环境湿度的测量。
技术方案 本发明的电感悬臂梁无线无源湿度传感器包括衬底、绝缘介质层、电感结构、锚区结构、电感悬臂梁结构和感湿薄膜；所述绝缘介质层设置在所述衬底上表面；所述电感结构和所述锚区结构并排设置在所述绝缘介质层上表面；所述电感悬臂梁结构的一端与所述锚区结构形成固定连接，所述电感悬臂梁结构的另一端悬空在电感结构的上方；所述电感悬臂梁和所述电感结构构成LC谐振回路；所述感湿薄膜覆盖在所述电感悬臂梁上方。
其中，
所述感湿薄膜采用高分子聚合物材料(如，聚丙烯酰胺、聚酰亚胺)，吸湿后体积膨胀。
所述电感悬臂梁结构为平面螺旋结构。
所述电感结构为平面螺旋结构。
所述电感悬臂梁结构和所述电感结构是上下正对放置。
本发明的电感悬臂梁无线无源湿度传感器的工作原理为：
感湿原理：当环境湿度变化时，感湿薄膜会产生体积变化。感湿薄膜的体积变化会使电感悬臂梁发生偏转。电感悬臂梁发生偏转后，由电感悬臂梁和电感结构构成的LC谐振回路的谐振频率将发生变化。
读出原理：基于平面电感之间的近场耦合原理，采用连接阻抗分析仪的读出线圈，可以无线、无源地读出电感悬臂梁和电感结构构成的LC谐振回路的谐振频率值。
有益效果 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明的无线无源的LC谐振回路为片上集成结构，具有体积小、功耗低和可批量生产的优点；
(2)本发明利用电感悬臂梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的回滞更小、重复性更好；
(3)本发明无需引线和电池供电，能在高温环境、密闭环境或旋转环境等恶劣环境进行湿度测量；
附图说明
图1为本发明的剖面图。
图2为本发明的三维图。
其中有：衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感悬臂梁结构5、感湿薄膜6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的电感悬臂梁无线无源湿度传感器包括衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感悬臂梁结构5和感湿薄膜6；所述绝缘介质层2设置在所述衬底1上表面；所述电感结构3和所述锚区结构4并排设置在所述绝缘介质层2上表面；所述电感悬臂梁结构5的一端与所述锚区结构4形成固定连接，所述电感悬臂梁结构5的另一端悬空在电感结构3的上方；所述电感悬臂梁5和所述电感结构3构成LC谐振回路；所述感湿薄膜6覆盖在所述电感悬臂梁5上方。所述感湿薄膜6采用高分子聚合物材料(如，聚丙烯酰胺、聚酰亚胺)，吸湿后体积膨胀。所述电感悬臂梁结构5为平面螺旋结构。所述电感结构3为平面螺旋结构。所述电感悬臂梁结构5和所述电感结构3是上下正对放置。
本发明的电感悬臂梁无线无源湿度传感器的制备工艺如下：
a：在衬底表面淀积一层绝缘介质层；
b：在绝缘介质层表面淀积一层金属层并刻蚀，形成电感结构；
c：在绝缘介质层表面淀积一层介质层并刻蚀；形成锚区结构；
d：涂敷牺牲层并刻蚀；
e：淀积一层金属层并刻蚀，形成电感悬臂梁结构；
f：淀积一层湿敏薄膜并刻蚀；
g：腐蚀牺牲层，释放结构；
本发明的电感悬臂梁无线无源湿度传感器的工作过程为：
当环境湿度升高时，感湿薄膜6会产生体积膨胀。感湿薄膜6的体积膨胀会使电感悬臂梁5发生向下偏转。电感悬臂梁5发生向下偏转后，电感悬臂梁5和电感结构3之间的电容增大，因此由电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将减小；当环境湿度降低时，感湿薄膜6会产生体积收缩。感湿薄膜6的体积收缩会使电感悬臂梁5发生向上偏转。电感悬臂梁5发生向上偏转后，电感悬臂梁5和电感结构3之间的电容减小，因此由电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将增大；
使用方法：测量前，使用连接阻抗分析仪的读出线圈对本发明的传感器进行标定，建立其谐振频率与不同环境湿度之间的关系。测量时，使用连接阻抗分析仪的读出线圈读出本发明传感器的谐振频率，与标定值进行对比，即可得到待测环境湿度值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括衬底(1)、绝缘介质层(2)、电感结构(3)、锚区结构(4)、电感悬臂梁结构(5)和感湿薄膜(6)；所述绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感悬臂梁结构(5)的一端与所述锚区结构(4)形成固定连接，所述电感悬臂梁结构(5)的另一端悬空在电感结构(3)的上方；所述电感悬臂梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路；所述感湿薄膜(6)覆盖在所述电感悬臂梁(5)上方。
2.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其特征在于：所述感湿薄膜(6)采用高分子聚合物材料，吸湿后体积膨胀。
3.根据权利要求2所述的电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其特征在于：所述高分子聚合物材料为聚丙烯酰胺或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其特征在于：所述电感悬臂梁结构(5)为平面螺旋结构。
5.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其特征在于：所述电感结构(3)为平面螺旋结构。
6.根据权利要求1、4或5所述的电感悬臂梁无线无源湿度传感器，其特征在于：所述电感悬臂梁结构(5)和所述电感结构(3)是上下正对放置。
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