[发明专利]一种无源无线温、湿度集成传感器

说明书

技术领域

本发明属于微机电领域，涉及一种由全无源元件构成的无源无线温、湿度集成传感器。

背景技术

对于无线传感器，传感器信号遥测的方式包括有源遥测和无源遥测，有源遥测是指传感系统中带有电源，这种遥测方式可以双向长距离传输传感器信号，但是尺寸大、电池需要更换；无源遥测是指传感系统中没有电源，利用电感耦合或射频（RF）反射调制实现信号的获取，这种遥测方式信号传输距离短，但是体积小、不需要更换电池，理论上可以无限期工作，特别适合于人体内部、食品容器、密封的药品等密封环境或机械旋转以及恶劣环境中应用。

在无源遥测中，有一类应用需要同时对多个环境参量进行测量。2005年，AndrewD.DwHennis（人名）等提出了一种带电路的无源无线温湿度、压力传感器结构，传感器中除了电感、电容等无源元件外，还包括晶体管等有源元件。这种无源无线传感器可以测量多种环境参数，但是系统体积大、功耗大、且不能在恶劣环境中应用。采用全无源元件构成的无线传感器目前只能测量单一的物理量，例如，Ya Wang（人名）等人提出的无源无线温度传感器，TJ Harpster（人名）等人提出的无源无线湿度传感器等。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种由电感、电容等全无源元件构成的、同时检测温度湿度变化、成本低廉的无源无线温、湿度集成传感器。这种传感器利用不同的敏感电容同时检测温度和湿度的变化，利用电感耦合输出信号。

技术方案：本发明的无源无线温、湿度集成传感器，采用悬臂梁电容式温度传感器和叉指电容式湿度传感器，包括从下至上依次连接的半导体衬底、下介质层、下金属层、中间介质层、中间金属层、上介质层，以及位于上介质层上表面的上金属互连线和湿敏材料。

半导体衬底包括基底，设置在基底上表面的悬臂梁结构的温度传感器下电极、位于温度传感器下电极一侧并与之连接的引线，下介质层上设置有位于温度传感器下电极上方的下介质梁和位于下介质梁一侧的下介质通孔。下金属层包括温度传感器上电极和位于温度传感器上电极外周并与之相连的第一螺旋电感，温度传感器上电极位于下介质梁上方，中间介质层上设置有位于温度传感器上电极上方的中间介质梁。中间金属层包括湿度传感器叉指电容和位于湿度传感器叉指电容外周并与之相连的第二螺旋电感，湿度传感器叉指电容位于中间介质梁正上方的一侧。

上介质层上设置有位于中间介质梁上方的上介质梁、位于上介质梁一侧的上介质第一通孔和上介质第二通孔，上金属互连线位于上介质第一通孔和上介质第二通孔之间，湿敏材料设置于上金属互连线和上介质梁之间，并位于湿度传感器叉指电容正上方。引线的一端与温度传感器下电极连接，另一端通过下介质通孔与第一螺旋电感的外侧端部连接，第一螺旋电感的内侧端部与温度传感器上电极连接。湿度传感器叉指电容包括对称的两个电极，其中一个电极与第二螺旋电感的内侧端部连接，另一个电极通过上介质第一通孔与上金属互连线的一端连接，上金属互连线的另一端通过上介质第二通孔与第二螺旋电感的外侧端部连接。

本发明中，温度传感器下电极、下介质梁和温度传感器上电极组成悬臂梁电容式温度传感器，悬臂梁电容式温度传感器与第一螺旋电感连成热敏谐振回路；湿度传感器叉指电容、上介质层和湿敏材料形成叉指电容式湿度传感器，叉指电容式湿度传感器与第二螺旋电感连成湿敏谐振回路。

本发明中，压敏谐振回路和热敏谐振回路工作在不同的谐振频率，悬臂梁电容式温度传感器通过第一螺旋电感将气压敏感信号无线输出，叉指电容式湿度传感器通过第二螺旋电感将湿度敏感信号无线输出。

当温度变化时，由于热应力不匹配，悬臂梁电容式温度传感器产生形变，使得电容尺寸变化，同时在介电伸缩效应作用下，介电常数发生变化，因此热敏电容变化，进而表征温度的谐振频率峰值发生变化。当湿度变化时，湿敏材料的介电常数发生变化，使得湿度传感器叉指电容变化，进而表征湿度的谐振频率峰值发生变化；无源无线温度、湿度集成传感器可以完全由CMOS MEMS加工工艺制作。

本发明传感器利用悬臂梁电容式温度传感器检测温度的变化，叉指电容式湿度传感器检测湿度的变化、利用不同电感耦合输出信号。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

带电路的无源无线集成传感器具有体积大、功耗大、不能在恶劣环境下工作的缺点。本发明利用电感、电容等全无源元件构成集成温度、湿度传感器，由于所有的元器件都为无源器件，可以工作在高温、低温、高污染等恶劣环境中。