[发明专利]一种无线湿度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种无线湿度传感器。

背景技术

湿度传感器被广泛应用于环境检测、工艺控制、食品生产、生物电子及制药中。湿度传感器通常检测相对湿度而不是绝对湿度。大多数商用湿度传感器采用电容式原理，这是因为电容式湿度传感器具有低功耗、大动态范围、接口电路简单、容易集成的优点。CMOS工艺可以很容易的将传感器与接口电路、信号处理电路及存储器等电路集成在一起，有利于获得更高的准确性、更小的芯片面积及更低的制造成本，因此采用CMOS工艺制造湿度传感器具有很大吸引力。

射频识别 (RFID) 技术作为一种先进的自动识别和数据采集技术，被公认为21世纪最有发展前途的信息技术之一，已经成功的应用到生产制造、物流管理、公共安全等各个领域。RFID系统可以分为有源和无源两类. 由于无源RFID标签无需内置电源供电，成本低且灵活性强，因此更广泛的被应用于实际生产和生活中。无源RFID标签的工作能量来源于天线接收到的读写器发出的无线能量，因此低功耗是无源RFID标签最重要的性能指标。无源RFID标签的功耗越低，标签工作的距离越大。

近年来，针对物联网技术发展的迅猛需求，许多传统的传感器应用领域必将与RFID技术相结合，因此基于无源RFID技术的无线传感器的研究成为热点。国内外对湿度传感器的研究主要集中在湿度传感器单元设计上，而将湿度传感器单元与无线信号处理模块集成在一起的无线湿度传感器的研究还没有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种采用标准互补金属氧化物（CMOS）工艺设计并制造，与信号收发电路集成于同一芯片，采用无源供电，功耗低，工作距离大的无线湿度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

利用RFID标签技术实现一种无线湿度传感器，包含天线、匹配网络、整流器、上电复位电路、传感器接口电路、湿度传感器以及调制电路；匹配网络的输出端接整流器的输入端，整流器的两输出端分别与上电复位电路的电源端和传感器接口电路的电源端相连；传感器接口电路的复位端接上电复位电路的输出端；传感器接口电路的输入端接湿度传感器；传感器接口电路的输出端接调制电路的输入端；调制电路的输出端接天线。

所述天线用于阅读器信号的接收与调制信号的发送。

所述匹配网络用于天线与传感器芯片间的功率匹配，从而达到最大功率传输。

所述整流器用于将天线接收的无线信号转换为上电复位电路和传感器接口电路正常工作所需的直流电压。

所述上电复位电路用于传感器接口电路的复位清零。

所述湿度传感器用于检测环境湿度的变化。

所述传感器接口电路用于将湿度传感器信号转换为相对应的数字信号输出。

所述调制电路用于完成传感器数字信号的ASK反向散射调制。

所述湿度传感器、整流器、上电复位电路、传感器接口电路和调制电路集成于同一芯片内。

优选地，所述湿度传感器采用标准CMOS工艺实现，在湿度传感器的顶层金属层制造叉指电极，并覆盖聚酰亚胺作为感湿材料层，无需任何后处理工序。具体可为：首先在硅衬底上生长一层二氧化硅绝缘层，其次在二氧化硅绝缘层上沉积一层金属铝，再经过光刻和湿法刻蚀步骤制成叉指电极，最后在金属铝表面沉积一层聚酰亚胺作为湿度感应层。

优选地，所述整流器基于标准CMOS工艺，采用三级差分输入结构，每一级采用内部栅极电压自偏置结构，减小MOS开关管的有效导通电压。

优选地，所述传感器接口电路基于锁相环原理，将湿度传感器电容值直接转换为数字信号，采用全数字结构，将湿度传感器信号转移到频率域进行处理，接口电路对电源电压变化不敏感，直接完成传感器信号转换成输出数字信号。传感器接口电路可以工作在接近于工艺阈值电压的超低电源电压下。