CN103148970B - 一种基于柔性基板的无源无线压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性基板的无源无线压力传感器，包括上金属层、上柔性基板、中柔性基板、下柔性基板和下金属层，上柔性基板、中柔性基板和下柔性基板上设有相通的电气通孔，中柔性基板上设有空腔；上金属层包括平面电感线圈和位于平面电感线圈中间的电容上极板，且平面电感线圈的内侧连接头和电容上极板连接；下金属层包括与电容上极板尺寸相同且位置相对的电容下极板，以及与电容下极板连接的互连线；上金属层的平面电感线圈的外侧连接头通过位于电气通孔中的导电介质柱与下金属层的互连线连接，中柔性基板的空腔位于电容上极板和电容下极板之间。该压力传感器具有非接触、高灵敏度、高品质因数和低功耗的优良性能。

Description

一种基于柔性基板的无源无线压力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种基于柔性基板的无源无线压力传感器。

背景技术

压力传感器广泛应用于多种场合，在有些特殊应用场合，比如：人体内部、食品包装等密封环境，需要压力传感器具备无线遥测能力。目前无线遥测压力传感器包括两大类：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，但是其系统复杂、尺寸大，而且电池需要更换。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。其中，LC无源无线压力传感器是无源遥测中的最主要的一类。LC无源无线压力传感器通常是由一个压力敏感电容和一个电感线圈构成的LC谐振回路，电感线圈即作为LC回路中的电感元件，同时也承担着压力信号的无线输出功能。当压力发生变化时，电容随着改变，进而影响LC回路的谐振频率，并通过电感耦合的方式把信号传递出去。

目前，LC无源无线压力传感器通常是由微电子机械加工（文中简称：MEMS）压敏电容和电感构成。该电感可以是和电容传感器集成在一起的片上电感，但是这种电感一般很难获得较高的品质因数Q，从而限制了器件的整体特性；另外也可以采用外部绕制的金属丝电感线圈，但是这将使得器件的尺寸增加，而且难以批量加工。另外，MEMS压敏电容也要解决两大技术难点：电容极板引线以及腔体密封问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种基于柔性基板的无源无线压力传感器，该压力传感器采用基于柔性基板的全无源元件构成，具有非接触、高灵敏度、高品质因数和低功耗的优良性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的基于柔性基板的无源无线压力传感器，该压力传感器包括从上向下依次布置且固定连接的上金属层、上柔性基板、中柔性基板、下柔性基板和下金属层，上柔性基板、中柔性基板和下柔性基板上设有相通的电气通孔，中柔性基板上设有空腔；所述的上金属层包括平面电感线圈和位于平面电感线圈中间的电容上极板，且平面电感线圈的内侧连接头和电容上极板连接；所述的下金属层包括与电容上极板尺寸相同且位置相对的电容下极板，以及与电容下极板连接的互连线；所述的上金属层的平面电感线圈的外侧连接头通过位于电气通孔中的导电介质柱与下金属层的互连线连接，中柔性基板的空腔位于电容上极板和电容下极板之间。

进一步，所述的空腔位于中柔性基板的中部。

进一步，所述的上金属层的厚度为10—20微米，下金属层的厚度为10—20微米。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

（1）品质因数Q值高。在影响电感Q值的众多因素中，金属层厚度是最主要的。金属层厚度越高，品质因数Q值越高。基于微电子加工工艺的金属层通常是通过溅射工艺得到的，金属层通常约1-2μm，而本发明的压力传感器的上金属层和下金属层采用电镀工艺得到，上金属层和下金属层的厚度分别可达十几微米。本发明的压力传感器的金属层的厚度远远大于现有的压力传感器的金属层厚度。因此，本发明的压力传感器品质因数Q值高。压力传感器的品质因数Q值越高，线圈的损耗越小，功耗小。

（2）灵敏度高。本发明的压力传感器中，上柔性基板、下柔性基板、电容上极板、电容下极板和中柔性基板构成了压力敏感可变电容。上柔性基板和下柔性基板位置相对，且空腔位于上柔性基板和下柔性基板之间。当压力发生变化时，位于空腔两侧的上柔性基板和下柔性基板都发生形变。也就是说，上柔性基板和下柔性基板都为压力敏感元件。在一个压力传感器中设置两个压力敏感元件，有利于增加传感器的灵敏度。

（3）结构简单。本发明的压力传感器完全基于柔性基板加工工艺，制作工艺简单。本发明的压力传感器包括上金属层、上柔性基板、中柔性基板、下柔性基板和下金属层，结构简单。柔性基板被用作芯片的封装基板，该传感器中器件与封装一体，大大简化了后续封装步骤，只需要对表面金属层作适当保护。

（4）该传感器只包括一个单层平面螺旋电感以及一个位于电感中间中空区域的压力敏感可变电容，并通过电气通孔将它们并联连接。其中，电感及电容模型简单，寄生效应小，尺寸设计优化方便。

（5）具有非接触、低功耗的优点。本发明的压力传感器在测试时，是非接触测量，利用结构的感应信号作为输出信号，具有低功耗的优点。

附图说明

图1为本发明的俯视立体图。

图2为本发明的仰视立体图。

图3为本发明的纵向剖视图。

图4为本发明的部件爆炸图。

图5为本发明进行压力测量的装置示意图。

图中有：上金属层1、上柔性基板2、中柔性基板3、下柔性基板4、下金属层5、导电介质柱6、空腔7、电容上极板8、平面电感线圈9、内侧连接头10、外侧连接头11、电容下极板12、互连线13、外部读出线圈20、外部读出系统21。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种基于柔性基板的无源无线压力传感器，包括从上向下依次布置且固定连接的上金属层1、上柔性基板2、中柔性基板3、下柔性基板4和下金属层5。上柔性基板2、中柔性基板3和下柔性基板4均采用柔性材料制成，例如柔性材料采用聚酰亚胺（PI）、液晶高分子聚合物(LCP)，或者聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。上柔性基板2、中柔性基板3和下柔性基板4上设有相通的电气通孔。也就是说，该电气通孔同时穿过上柔性基板2、中柔性基板3和下柔性基板4。中柔性基板3上设有空腔7。该空腔7位于中柔性基板3中部为佳。空腔7位于中柔性基板3中部，可以减小传感器的体积。综合考虑平面电感的电感量以及Q值，平面电感一般采取中空结构。这样把平面电容置于该区域，就不会增加器件的整体尺寸。上金属层1包括平面电感线圈9和电容上极板8。电容上极板8位于平面电感线圈9的中间。也就是说，平面电感线圈9绕在电容上极板8外侧周边。平面电感线圈9上设有内侧连接头10和外侧连接头11。平面电感线圈9的内侧连接头10和电容上极板8连接。下金属层5包括电容下极板12和互连线13。电容下极板12与电容上极板8尺寸相同，且电容下极板12与电容上极板8位置相对。互连线13的一端与电容下极板12连接。上金属层1的平面电感线圈9的外侧连接头11通过位于电气通孔中的导电介质柱6与下金属层5的互连线13连接。中柔性基板3的空腔7位于电容上极板8和电容下极板12之间。

进一步，所述的上柔性基板2、中柔性基板3和下柔性基板4具有相同的尺寸。三个柔性基板具有相同的尺寸，有利于后续对准层压工艺，便于制造。

进一步，上金属层1的厚度为10—20微米，下金属层5的厚度为10—20微米。上金属层1和下金属层5的厚度，比现有的传感器的金属层厚度大，有利提高电感品质因数Q值。

金属线圈的电阻损耗是抑制平面电感品质因数Q值的最主要因素，而降低一定长度线圈电阻的两个基本途径就是提高电导率和增加截面积。传统的片上溅射金属电感，溅射金属的厚度有限（通常是两微米以下）。制作同样宽度的电感，片上电感的截面积小，而本发明中的方法制作的电感截面积较大，从而提高电感Q值。

上述结构的压力传感器中，上柔性基板2、下柔性基板4、电容上极板8、电容下极板12和中柔性基板3构成了压力敏感可变电容。中柔性基板3的空腔7为压力敏感可变电容的空腔。压力敏感可变电容作为压力传感器的压力敏感器件。压力传感器还包括平面电感线圈9。平面电感线圈9的内侧连接头10和电容上极板8连接，平面电感线圈9的外侧连接头11通过电气通孔与下金属层5的互连线13连接。压力敏感可变电容和平面电感线圈9两端相互连接，形成LC（LC对应英文为“LCtank”，对应中文为电感、电容回路）谐振回路。该压力传感器中的上柔性基板2和下柔性基板4在外部压力作用下，都会发生形变，从而显著增加了压力敏感可变电容的灵敏度。

如图5所示，使用上述结构的压力传感器时，需要利用外部读出线圈20和外部读出系统21。外部读出系统21是阻抗分析仪或者网络分析仪，外部读出线圈20接入外部读出系统21，外部读出线圈20靠近压力传感器，并和平面电感线圈9构成松耦合变压器。

利用上述结构的压力传感器进行压力测量的过程是：当压力发生变化时，位于空腔7两侧的上柔性基板2和下柔性基板4都发生形变，从而导致压力敏感可变电容的电容尺寸及其电容值发生变化，进而引起LC回路的谐振频率的变化。外部读出线圈20的阻抗相位在压力传感器LC回路的谐振频率处出现陷落点。利用外部读出系统21分析外部读出线圈20的阻抗频率特性，并以此确定压力传感器LC的谐振频率，从而实现了压力信号的无源无线测量。该压力传感器的压力信号通过电感耦合方式无线输出。

本发明的压力传感器完全由柔性基板加工工艺制作。该压力传感器的制作过程为：首先选取两块柔性覆铜板，分别作为上柔性基板2和下柔性基板4。该柔性覆铜板一般为聚酰亚胺层和铜箔层压而成。通过湿法腐蚀工艺将铜箔分别加工成所述的上金属层1和下金属层5。接着选取一块聚酰亚胺层，并在其中间空腔7，作为中柔性基板3。然后通过柔性基板加工工艺中的层压技术，将上述多层结构对齐并层压在一起。上金属层1和下金属层5之间的连接通过电气通孔实现。

Claims (4)

1.一种基于柔性基板的无源无线压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括从上向下依次布置且固定连接的上金属层(1)、上柔性基板(2)、中柔性基板(3)、下柔性基板(4)、下金属层(5)、外部读出线圈(20)和外部读出系统(21)，上柔性基板(2)、中柔性基板(3)和下柔性基板(4)上设有相通的电气通孔，中柔性基板(3)上设有空腔(7)；

所述的上金属层(1)包括呈螺旋的平面电感线圈(9)和位于平面电感线圈(9)中间的电容上极板(8)，且平面电感线圈(9)的内侧连接头(10)和电容上极板(8)连接；

所述的下金属层(5)包括与电容上极板(8)尺寸相同且位置相对的电容下极板(12)，以及与电容下极板(12)连接的互连线(13)；

所述的上金属层(1)的平面电感线圈(9)的外侧连接头(11)通过位于电气通孔中的导电介质柱(6)与下金属层(5)的互连线(13)连接，中柔性基板(3)的空腔(7)位于电容上极板(8)和电容下极板(12)之间；

外部读出线圈(20)接入外部读出系统(21)，外部读出线圈(20)和平面电感线圈(9)构成松耦合变压器。

2.按照权利要求1所述的基于柔性基板的无源无线压力传感器，其特征在于，所述的空腔(7)位于中柔性基板(3)的中部。

3.按照权利要求1所述的基于柔性基板的无源无线压力传感器，其特征在于，所述的上柔性基板(2)、中柔性基板(3)和下柔性基板(4)具有相同的尺寸。

4.按照权利要求1所述的基于柔性基板的无源无线压力传感器，其特征在于，所述的上金属层(1)的厚度为10—20微米，下金属层(5)的厚度为10—20微米。