CN102944325A

CN102944325A - 一种无源无线温、湿度集成传感器

Info

Publication number: CN102944325A
Application number: CN2012104989292A
Authority: CN
Inventors: 黄见秋; 黄庆安; 张聪
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: CN102944325B

Abstract

本发明公开了一种无源无线温、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。本发明的悬臂电容式温度传感器-电感回路与叉指电容湿度传感器-电感回路分频工作，同时无线测量温度、湿度，可以应用于密闭环境或恶劣条件下温度、湿度两种参数的测量与采集。本发明传感器采用CMOS MEMS工艺制备，具有较好的性能和较低的成本。

Description

一种无源无线温、湿度集成传感器

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。

本发明采用CMOS MEMS工艺制备，借助已有集成电路工厂的批量制造能力，传感器体积小、功耗低、一致性好，成本低，适合于产业化生产。

附图说明

图1为本发明传感器的分层示意图。

图2为本发明传感器的剖面图。

图3为上介质层的平面结构图。

图4为中间金属层的平面结构图。

图5为中间介质层的平面结构图。

图6为下金属层的平面结构图。

图7为下介质层的平面结构图。

图8为半导体衬底的平面结构图。

图中有：半导体衬底1、下介质层2、下金属层3、中间介质层4、中间金属层5、上介质层6、上金属互连线7、湿敏材料8、温度传感器下电极11、引线12、下介质梁21、下介质通孔22、温度传感器上电极31、第一螺旋电感32、中间介质梁41、湿度传感器叉指电容51、第二螺旋电感52、上介质梁61、上介质第一通孔62、上介质第二通孔63。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明传感器的分层示意图。图2为本发明传感器的剖面图。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1、下介质层2、下金属层3、中间介质层4、中间金属层5、上介质层6，以及位于上介质层6上表面的上金属互连线7和湿敏材料8。半导体衬底1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11、位于温度传感器下电极11一侧并与之连接的引线12，下介质层2上设置有位于温度传感器下电极11上方的下介质梁21和位于下介质梁21一侧的下介质通孔22。

下金属层3包括温度传感器上电极31和位于温度传感器上电极31外周并与之相连的第一螺旋电感32，温度传感器上电极31位于下介质梁21上方，中间介质层4上设置有位于温度传感器上电极31上方的中间介质梁41。中间金属层5包括湿度传感器叉指电容51和位于湿度传感器叉指电容51外周并与之相连的第二螺旋电感52，湿度传感器叉指电容51位于中间介质梁41正上方的一侧。

上介质层6上设置有位于中间介质梁41上方的上介质梁61、位于上介质梁61一侧的上介质第一通孔62和上介质第二通孔63，上金属互连线7位于上介质第一通孔62和上介质第二通孔63之间，湿敏材料8设置于上金属互连线7和上介质梁61之间，并位于湿度传感器叉指电容51正上方。引线12的一端与温度传感器下电极11连接，另一端通过下介质通孔22与第一螺旋电感32的外侧端部连接，第一螺旋电感32的内侧端部与温度传感器上电极31连接。湿度传感器叉指电容51包括对称的两个电极，其中一个电极与第二螺旋电感52的内侧端部连接，另一个电极通过上介质第一通孔62与上金属互连线7的一端连接，上金属互连线7的另一端通过上介质第二通孔63与第二螺旋电感52的外侧端部连接。

上述的温度传感器下电极11、下介质梁（21）和温度传感器上电极（31）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（32）连成热敏谐振回路；湿度传感器叉指电容（51）、上介质层（6）和湿敏材料（8）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（52）连成湿敏谐振回路。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（31）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（52）将湿度敏感信号无线输出。下电极11、下介质梁21、中间介质梁41和上介质梁61构成了电容式温度传感器的悬臂梁。

该传感器的制作过程为：首先选取N型半导体材料，如硅片做为衬底材料1，通过扩散或离子注入在衬底形成P型重参杂温度传感器下电极11。然后通过热氧化或化学汽相淀积在表面生长或淀积下介质层2并光刻、腐蚀出下介质梁21、下介质通孔22，接下来通过蒸发或溅射形成金属层3并光刻、腐蚀出第一螺旋电感31，温度传感器上电极32，再通过化学汽相淀积形成中间介质层4并光刻、腐蚀出中间介质梁41，中间介质通孔42，通过蒸发或溅射形成中间金属层5并光刻、腐蚀出湿度传感器电容51、第二螺旋电感52，接着第三次通过化学汽相淀积形成上介质层6并光刻、腐蚀出上介质梁61，上介质第一通孔62、上介质第二通孔63，通过蒸发或溅射并光刻腐蚀形成上金属互连线7，通过旋涂、光刻、腐蚀形成湿敏材料8，最后通过背面湿法腐蚀加上正面干法刻蚀工艺形成悬臂梁结构的温度传感器下电极11。

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；

传感器工作时，通过外部读出电路中的耦合电感将传感器的谐振频率信号耦合输出，由于温度传感器和湿度传感器的谐振频率不同，因此可以读出两个谐振频率。当温度变化时，与热敏耦合回路相对应的谐振频率发生变化；当湿度变化时，与湿敏耦合回路相对应的谐振频率发生变化。因此，本发明的无源无线温度、湿度集成传感器可以同时表征被测温度、湿度。

Claims

1.一种无源无线温、湿度集成传感器，其特征在于，该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（1）、下介质层（2）、下金属层（3）、中间介质层（4）、中间金属层（5）、上介质层（6），以及位于所述上介质层（6）上表面的上金属互连线（7）和湿敏材料（8），

所述半导体衬底（1）包括基底，设置在所述基底上表面的悬臂梁结构的温度传感器下电极（11）、位于所述温度传感器下电极（11）一侧并与之连接的引线（12），所述下介质层（2）上设置有位于温度传感器下电极（11）上方的下介质梁（21）和位于所述下介质梁（21）一侧的下介质通孔（22），

所述下金属层（3）包括温度传感器上电极（31）和位于所述温度传感器上电极（31）外周并与之相连的第一螺旋电感（32），所述温度传感器上电极（31）位于下介质梁（21）上方，所述中间介质层（4）上设置有位于温度传感器上电极（31）上方的中间介质梁（41），

所述中间金属层（5）包括湿度传感器叉指电容（51）和位于所述湿度传感器叉指电容（51）外周并与之相连的第二螺旋电感（52），所述湿度传感器叉指电容（51）位于中间介质梁（41）正上方的一侧，

所述上介质层（6）上设置有位于中间介质梁（41）上方的上介质梁（61）、位于所述上介质梁（61）一侧的上介质第一通孔（62）和上介质第二通孔（63），所述上金属互连线（7）位于上介质第一通孔（62）和上介质第二通孔（63）之间，所述湿敏材料（8）设置于上金属互连线（7）和上介质梁（61）之间，并位于湿度传感器叉指电容（51）正上方；

所述引线（12）的一端与温度传感器下电极（11）连接，另一端通过下介质通孔（22）与第一螺旋电感（32）的外侧端部连接，第一螺旋电感（32）的内侧端部与温度传感器上电极（31）连接，所述湿度传感器叉指电容（51）包括对称的两个电极，其中一个电极与所述第二螺旋电感（52）的内侧端部连接，另一个电极通过上介质第一通孔（62）与上金属互连线（7）的一端连接，上金属互连线（7）的另一端通过上介质第二通孔（63）与第二螺旋电感（52）的外侧端部连接。

2.根据权利要求1所述的无源无线温、湿度集成传感器，其特征在于，所述的温度传感器下电极（11）、下介质梁（21）和温度传感器上电极（31）组成悬臂梁电容式温度传感器，所述悬臂梁电容式温度传感器与第一螺旋电感（32）连成热敏谐振回路；所述湿度传感器叉指电容（51）、上介质层（6）和湿敏材料（8）形成叉指电容式湿度传感器，所述叉指电容式湿度传感器与第二螺旋电感（52）连成湿敏谐振回路。

3.根据权利要求1或2所述的无源无线温、湿度集成传感器，其特征在于，所述压敏谐振回路和热敏谐振回路工作在不同的谐振频率，所述悬臂梁电容式温度传感器通过第一螺旋电感（31）将气压敏感信号无线输出，所述叉指电容式湿度传感器通过第二螺旋电感（52）将湿度敏感信号无线输出。