CN103017823B - 一种无源无线温度气压集成传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源无线温度气压传感器，采用方形膜电容式气压传感器和悬臂梁电容式温度传感器，包括从下至上依次连接的玻璃衬底、半导体衬底、下介质层、下金属层、中间介质层、中间金属层、上介质层和上金属互连线，气压传感器下电极和引线的材质为重掺杂半导体。本发明的压敏谐振回路和热敏谐振回路分频工作，同时无线测量温度、气压。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，可以应用于密闭环境或恶劣条件下温度、气压两种参数的测量与采集。

Description

一种无源无线温度气压集成传感器

技术领域

本发明属于微机电领域，涉及一种由无源元件构成的无线温度、气压集成传感器。

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、气压传感器结构，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，J.Zhai（人名）等人提出的无源无线气压传感器，Ya Wang（人名）等人提出的无源无线温度传感器等。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种由电感、电容等元件构成的具有广泛应用和较低成本的无源无线温度、气压集成传感器。

技术方案：本发明的无源无线温度气压集成传感器，采用方形膜电容式气压传感器和悬臂梁电容式温度传感器，包括从下至上依次连接的玻璃衬底、半导体衬底、下介质层、下金属层、中间介质层、中间金属层、上介质层和上金属互连线，半导体衬底包括基底、设置在基底上表面的气压传感器下电极、位于气压传感器下电极一侧并与之连接的引线、位于气压传感器下电极另一侧的的温度传感器支撑梁，气压传感器下电极和引线的材质为重掺杂半导体。下介质层上设置有位于引线上方的下介质通孔和位于温度传感器支撑梁上方的下介质梁。下金属层包括第一螺旋电感、位于第一螺旋电感环绕的区域内的气压传感器上电极和温度传感器下电极，温度传感器下电极位于下介质梁的上方，气压传感器上电极的一端与第一螺旋电感的内侧端部连接。中间金属层包括温度传感器上电极和环绕温度传感器上电极并与之相连的第二螺旋电感，温度传感器上电极位于中间介质梁的上方。上介质层上设置有位于温度传感器上电极上方的上介质梁、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，上金属互连线的一端通过上介质第一通孔和中间介质通孔，与温度传感器下电极连接，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，引线的一端与气压传感器下电极连接，另一端通过下介质通孔与第一螺旋电感的外侧端部连接。

本发明中，气压传感器下电极、下介质层和气压传感器上电极形成方形膜电容式气压传感器，方形膜电容式气压传感器与第一螺旋电感连成压敏谐振回路；温度传感器下电极、中间介质梁和温度传感器上电极形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二螺旋电感连成热敏谐振回路。

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，方形膜电容式气压传感器通过第一螺旋电感将气压敏感信号无线输出，悬臂梁电容式温度传感器通过第二螺旋电感将温度敏感信号无线输出。

当气压变化时，方形膜电容式气压传感器产生形变，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，因此压敏电容变化，进而表征气压的谐振频率峰值发生变化；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。无源无线温度、气压集成传感器可以完全由CMOS MEMS工艺制作。

这种传感器利用方形膜电容式气压传感器检测气压的变化、悬臂梁电容式温度传感器检测温度的变化，利用不同电感耦合输出信号。

有益效果：本发明和现有技术相比，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、气压传感器，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为半导体衬底的平面结构图。

图4为下介质层的平面结构图。

图5为下金属层的平面结构图。

图6为中间介质层的平面结构图。

图7为中间金属层的平面结构图。

图8为上介质层的平面结构图。

图中有：玻璃衬底1、半导体衬底2、下介质层3、下金属层4、中间介质层5、中间金属层6、上介质层7、上金属互连线8、气压传感器下电极21、重掺杂半导体引线22、温度传感器支撑梁23、下介质通孔31、介质梁32、第一螺旋电感41、气压传感器上电极42、悬臂梁电容式温度传感器下电极43、中间介质梁51、中间介质通孔52、温度传感器上电极61、第二螺旋电感62、上介质梁71、上介质第一通孔72、上介质第二通孔73。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明的无源无线温度气压集成传感器，集成了方形膜电容式气压传感器和悬臂梁电容式温度传感器，包括从下至上依次连接的玻璃衬底1、半导体衬底2、下介质层3、下金属层4、中间介质层5、中间金属层6、上介质层7和上金属互连线8。半导体衬底2包括基底、设置在基底上表面的方形膜电容式气压传感器下电极21、位于气压传感器下电极21一侧并与之连接的引线22、设置在基底中、位于气压传感器下电极21另一侧的的悬臂梁电容式温度传感器支撑梁23。

下介质层3上设置有位于引线22上方的下介质通孔31和位于温度传感器支撑梁23上方的下介质梁32。下金属层4包括第一螺旋电感41、位于第一螺旋电感41环绕的区域内的气压传感器上电极42和温度传感器下电极43，温度传感器下电极43位于下介质梁32的上方，气压传感器上电极42的一端与第一螺旋电感41的内侧端部连接。.

中间介质层5上设置有位于温度传感器下电极43上方的中间介质梁51和中间介质通孔52。中间金属层6包括温度传感器上电极61和环绕温度传感器上电极61并与之相连的第二螺旋电感62，温度传感器上电极61位于中间介质梁51的上方。

上介质层7上设置有位于温度传感器上电极61上方的上介质梁71、位于上介质梁71一侧的上介质第一通孔72和上介质第二通孔73，上金属互连线8位于上介质第一通孔72和上介质第二通孔73之间，上金属互连线8的一端通过上介质第一通孔72以及中间介质通孔52与温度传感器下电极43连接，另一端通过上介质第二通孔73与第二螺旋电感62的外侧端部连接。引线22的一端与气压传感器下电极21连接，另一端通过下介质通孔31与第一螺旋电感41的外侧端部连接。

上述的气压传感器下电极21、下介质层3和气压传感器上电极42形成方形膜电容式气压传感器，方形膜电容式气压传感器与第一螺旋电感41连成压敏谐振回路，温度传感器下电极41、中间介质梁51和温度传感器上电极61形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二螺旋电感62连成热敏谐振回路。温度传感器支撑梁23、下介质梁32、中间介质梁51和上介质梁71构成了电容式温度传感器的悬臂梁。

本发明的无源无线温度气压集成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2，通过扩散或离子注入在衬底形成P型重参杂气压传感器下电极21。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3并光刻、腐蚀出下介质通孔31、下介质梁32，接下来通过蒸发或溅射形成下金属层4并光刻、腐蚀出第一螺旋电感41，气压传感器上电极42和悬臂梁电容式温度传感器下电极43，再通过化学汽相淀积形成中间介质层5并光刻、腐蚀出中间介质梁51，中间介质通孔52，通过蒸发或溅射形成中间金属层6并光刻、腐蚀出温度传感器上电极61第二螺旋电感62，接着第三次通过化学汽相淀积形成上介质层7并光刻、腐蚀出上介质梁71，上介质第一通孔72、上介质第二通孔73，通过蒸发或溅射并光刻腐蚀形成上金属互连线8，最后通过背面湿法腐蚀形成方形膜结构的气压传感器重掺杂半导体下电极21以及通过背面湿法腐蚀加上正面干法刻蚀工艺形成悬臂梁电容式温度传感器支撑梁23。将半导体衬底2与玻璃衬底1真空静电键合。

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，由于气压传感器和温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，与压敏耦合回路相对应的谐振频率发生变化；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。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气压和温度。

Claims (3)

1.一种无源无线温度气压集成传感器，其特征在于，该传感器采用方形膜电容式气压传感器和悬臂梁电容式温度传感器，包括从下至上依次连接的玻璃衬底(1)、半导体衬底(2)、下介质层(3)、下金属层(4)、中间介质层(5)、中间金属层(6)、上介质层(7)和上金属互连线(8)，

所述半导体衬底(2)包括基底、设置在所述基底上表面的气压传感器下电极(21)、位于所述气压传感器下电极(21)一侧并与之连接的引线(22)、位于气压传感器下电极(21)另一侧的温度传感器支撑梁(23)，所述气压传感器下电极(21)和引线(22)的材质为重掺杂半导体，

所述下介质层(3)上设置有位于引线(22)上方的下介质通孔(31)和位于温度传感器支撑梁(23)上方的下介质梁(32)，

所述下金属层(4)包括第一螺旋电感(41)、位于所述第一螺旋电感(41)环绕的区域内的气压传感器上电极(42)和温度传感器下电极(43)，所述温度传感器下电极(43)位于下介质梁(32)的上方，所述气压传感器上电极(42)的一端与第一螺旋电感(41)的内侧端部连接，

所述中间介质层(5)上设置有位于温度传感器下电极(43)上方的中间介质梁(51)和中间介质通孔(52)，

所述中间金属层(6)包括温度传感器上电极(61)和环绕所述温度传感器上电极(61)并与之相连的第二螺旋电感(62)，所述温度传感器上电极(61)位于所述中间介质梁(51)的上方，

所述上介质层(7)上设置有位于温度传感器上电极(61)上方的上介质梁(71)、位于所述上介质梁(71)一侧的上介质第一通孔(72)和上介质第二通孔(73)，

所述上金属互连线(8)位于所述上介质第一通孔(72)和上介质第二通孔(73)之间，上金属互连线(8)的一端通过上介质第一通孔(72)和中间介质通孔(52)，与温度传感器下电极(43)连接，另一端通过上介质第二通孔(73)与第二螺旋电感(62)的外侧端部连接，

所述引线(22)的一端与气压传感器下电极(21)连接，另一端通过下介质通孔(31)与第一螺旋电感(41)的外侧端部连接。

2.根据权利要求1所述的无源无线温度气压集成传感器，其特征在于，所述的气压传感器下电极(21)、下介质层(3)和气压传感器上电极(42)形成方形膜电容式气压传感器，所述方形膜电容式气压传感器与第一螺旋电感(41)连成压敏谐振回路，所述的温度传感器下电极(41)、中间介质梁(51)和温度传感器上电极(61)形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二螺旋电感(62)连成热敏谐振回路。

3.根据权利要求2所述的无源无线温度气压集成传感器，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，所述方形膜电容式气压传感器通过第一螺旋电感(41)将气压敏感信号无线输出，所述悬臂梁电容式温度传感器通过第二螺旋电感(62)将温度敏感信号无线输出。