CN110108381A - 一种同时检测温度、湿度的lc无源无线传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，包括衬底，衬底上方设置有叉指正电极、叉指负电极、电感线圈，衬底与叉指正电极、叉指负电极、电感线圈之间存在一个空腔；叉指负电极表面覆有一层敏感介质，叉指正电极和叉指负电极形成叉指结构，叉指正电极和叉指负电极之间有空气层，构成检测电容；电感线圈位于叉指正电极和叉指负电极的***，电感线圈的尾部通过引线与叉指负电极连接，电感线圈与检测电容构成LC传感器谐振回路单元；所述空腔的四周设置有自下而上的氧化层、底层钝化层、顶层钝化层，氧化层位于衬底上。本发明可以实现对温度和湿度的同时检测，具有灵敏度高，响应快，结构简单、体积小、成本低、寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微电子机械***(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)技术加工的电感-电容谐振回路式(Inductor–Capacitor,LC)无源无线传感器，尤其是一种能够同时遥测温度和湿度两个参数的无源无线传感器。
背景技术
物联网(Internet of Things,IOT)，是一种物物相连的网络。它是新一代信息技术的高度集成和综合运用，对新一轮产业变革和经济社会绿色、智能、可持续发展具有重要意义，被称作是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。传感器是物联网感知层最主要的组成部分，是数据的采集入口。传感器性能将直接影响后续控制***和信息***中数据的准确性，决定着整个物联网***特性和整体的性能指标，而且传感器性能的提高和种类的增多，对智能装备的应用也起着技术牵引和场景升级的作用。无源无线传感器研究属于面向物联网应用的传感器前沿研究领域。LC无源无线传感器，即传感器谐振回路由无源元件构成，结构简单，价格便宜，理论上工作温度不受限制，而且传感器结构设计灵活，加工材料可多样化，采集到的传感器信号的频谱信息丰富，使其在功能设计以及多参数设计研究等方面具有很大的潜力。温度、湿度是与人们日常生活最为密切相关的两个物理量，同时也是在科学实验和生产活动中需要测量和控制的重要物理量。特别是随着工业、农业等行业对智能化水平的需求的不断提高以及物联网技术的发展，环境温湿度检测的需求量急剧增加，结合新兴技术，独立创新，开发包括温湿度传感器在内的具有自主知识产权的无源无线传感器迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，以实现对温度和湿度的同时检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，包括衬底，衬底上方设置有叉指正电极、叉指负电极、电感线圈，衬底与叉指正电极、叉指负电极、电感线圈之间存在一个空腔；所述叉指负电极表面覆有一层敏感介质，叉指正电极和叉指负电极形成叉指结构，叉指正电极和叉指负电极之间有空气层，构成检测电容；所述电感线圈位于叉指正电极和叉指负电极的***，电感线圈的尾部通过引线与叉指负电极连接，电感线圈与检测电容构成LC传感器谐振回路单元；所述空腔的四周设置有自下而上的氧化层、底层钝化层、顶层钝化层，氧化层位于衬底上。
所述引线的一端位于顶层钝化层内，并通过金属层连接锚区固定。
所述引线为多晶硅层或电极金属层。
所述衬底的材质为硅。
所述底层钝化层和顶层钝化层的材质均为氮化硅。
所述敏感介质的材质为氧化石墨烯，氧化石墨烯由选择性生长的方式得到，如通过CVD生长而成。
所述叉指正电极、叉指负电极及电感线圈的材质为镍。
所述叉指正电极、叉指负电极、电感线圈由电镀工艺加工得到。
所述电感线圈为平面螺旋线圈。
本发明的原理是：本发明的LC无源无线传感器包括检测电容和电感线圈，其中，检测电容是由正负电极、敏感介质以及空气层构成叉指结构状的敏感电容，当温度及湿度发生变化，会引起电容的混合介电常数发生变化，而温度变化又会引起整个LC谐振回路的Q值变化，即变化的温湿度会引起LC谐振回路的谐振频率和阻抗最大值发生变化，检测LC谐振回路的谐振频率和阻抗最大值就可以实现对于环境温度和湿度的检测。
有益效果：本发明的LC无源无线传感器可以实现对温度和湿度的同时检测，具有灵敏度高，响应快，结构简单、体积小、成本低、寿命长的优点。LC结构中的敏感电容和电感线圈为由电镀工艺加工的具有高深宽比的MEMS结构。综合其材料的加工成本、制作工艺的实现方式以及敏感电容的大小来说，MEMS加工工艺加工的传感器具有成本低、制作工艺成熟、器件尺寸小的优点。敏感电容和电感线圈为同一电镀工艺加工，使得LC传感器的加工的可重复性和一致性得到了提高。采用多晶硅层(或电极金属层)用来实现电感线圈回路的闭合，能够简化LC传感器MEMS加工的步骤。衬底的材质为硅，敏感电容和电感线圈与硅衬底之间有空气腔，空气腔可以实现电隔离和热隔离，减少寄生电容，减少测试过程中的电磁损耗的。
附图说明
图1是本发明提供的基于MEMS工艺的电感-电容谐振回路式温湿度传感器的截面图；
图2是本发明提供的基于MEMS工艺的电感-电容谐振回路式温湿度传感器的截面图；
图3是本发明提供的LC无源无线温湿度传感器***的结构示意图；
图中，1-衬底，2-氧化层，3-底层钝化层，4-顶层钝化层，5-金属层连接锚区，6-引线，7-电感线圈，8-1-叉指正电极，8-2-叉指负电极，9-敏感介质，10-空腔，11-空气层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1和图2，本发明的一种同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，包括衬底1，衬底1位于传感器的底部，起基座作用；衬底1上方设置有叉指正电极8-1、叉指负电极8-2、电感线圈7，衬底1与叉指正电极8-1、叉指负电极8-2、电感线圈7之间存在一个空腔10；叉指负电极8-2表面覆有一层敏感介质9，叉指正电极8-1和叉指负电极8-2形成叉指结构，叉指正电极8-1和叉指负电极8-2之间有空气层11，构成检测电容；电感线圈7为平面螺旋线圈，电感线圈7位于叉指正电极8-1和叉指负电极8-2的***，电感线圈7的尾部通过引线6与叉指负电极8-2连接，电感线圈7与检测电容构成LC传感器谐振回路单元；所述空腔10的四周设置有自下而上的氧化层2、底层钝化层3、顶层钝化层4，氧化层2位于衬底1上。
其中，引线6的一端位于顶层钝化层4内，并通过金属层连接锚区5固定。引线6为多晶硅层或电极金属层。
衬底1的材质为硅。
底层钝化层3和顶层钝化层4的材质均为氮化硅。
敏感介质9的材质为氧化石墨烯。氧化石墨烯是实现较宽温湿度感测的最佳敏感介质材料。氧化石墨烯表面及边缘拥有大量含氧基团，使氧化石墨烯具有极强的亲水性，使其具有灵敏的感湿特性；含氧官能团同时使得氧化石墨烯丧失了原有的导电能力，使得其具有半导体或者绝缘体的特性；温度变化影响含氧官能团的结构及氢键的强弱，进而影响温敏特性。
叉指正电极8-1、叉指负电极8-2及电感线圈7的材质为镍。
本发明的LC无源无线传感器由如下方法制作得到：首先，无源无线温湿度传感器的检测电容及电感线圈结构都是由MEMS片上金属加工工艺(如MetalMumps加工工艺或自设计的金属片上加工工艺)中的金属结构层加工而成；叉指负电极上的氧化石墨烯层的可控制备可以采用在叉指负电极上通过选择性生长的方式得到氧化石墨烯薄膜，如CVD生长而成。
在本发明中，正负电极、敏感介质层以及空气层构成叉指结构状的检测电容，该检测电容与电感线圈串联形成LC谐振回路，等效电路图如图3右侧所示。当温度和湿度发生变化时，会引起LC谐振回路的阻抗容抗发生变化，进而引起检测端的频谱阻抗(如图3中左侧)的幅度Re(Z)和谐振频率f0点发生变化，从而实现温度和湿度的同时无源无线检测。
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 (10)
1.一种同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：包括衬底(1)，衬底(1)上方设置有叉指正电极(8-1)、叉指负电极(8-2)、电感线圈(7)，衬底(1)与叉指正电极(8-1)、叉指负电极(8-2)、电感线圈(7)之间存在一个空腔(10)；所述叉指负电极(8-2)表面覆有一层敏感介质(9)，叉指正电极(8-1)和叉指负电极(8-2)形成叉指结构，叉指正电极(8-1)和叉指负电极(8-2)之间有空气层(11)，构成检测电容；所述电感线圈(7)位于叉指正电极(8-1)和叉指负电极(8-2)的***，电感线圈(7)的尾部通过引线(6)与叉指负电极(8-2)连接，电感线圈(7)与检测电容构成LC传感器谐振回路单元；所述空腔(10)的四周设置有自下而上的氧化层(2)、底层钝化层(3)、顶层钝化层(4)，氧化层(2)位于衬底(1)上。
2.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述引线(6)的一端位于顶层钝化层(4)内，并通过金属层连接锚区(5)固定。
3.根据权利要求1或2所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述引线(6)为多晶硅层或电极金属层。
4.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述衬底(1)的材质为硅。
5.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述底层钝化层(3)和顶层钝化层(4)的材质均为氮化硅。
6.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述敏感介质(9)的材质为氧化石墨烯。
7.根据权利要求6所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述氧化石墨烯由选择性生长的方式得到。
8.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述叉指正电极(8-1)、叉指负电极(8-2)及电感线圈(7)的材质为镍。
9.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述叉指正电极(8-1)、叉指负电极(8-2)、电感线圈(7)由电镀工艺加工得到。
10.根据权利要求1所述的同时检测温度、湿度的LC无源无线传感器，其特征在于：所述电感线圈(7)为平面螺旋线圈。
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