CN103217461B - 一种无线无源电容式湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线无源电容式湿度传感器，包括硅衬底、热氧化层、多晶硅层、二氧化硅层、金属层和钝化层，热氧化层固定连接在硅衬底顶面，多晶硅层固定连接在热氧化层顶面，多晶硅层中刻蚀有多晶硅加热电阻，二氧化硅层覆盖在多晶硅层的表面，金属层固定连接在二氧化硅层的顶面，钝化层覆盖在金属层的顶面；金属层中刻蚀有梳齿电容、片上电感和加热电阻锚区，梳齿电容中填充有感湿的聚酰亚胺层；片上电感的内引线与梳齿电容的下电极锚区相连，片上电感的外引线锚区与梳齿电容的上电极锚区相连。该湿度传感器采用无线无源元件构成，具有非接触、体积小、功耗低的性能优点。

Description

一种无线无源电容式湿度传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种无线无源电容式湿度传感器。

背景技术

湿度传感器广泛应用于气象检测、农业生产、工业控制、医疗设备等领域。近年来，湿度传感器的发展越来越趋向于微型化。现有的微型湿度传感器类型主要包括电容式、电阻式、压阻式及MEMS等。目前无线遥测传感器包括两大类：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无源无线湿度传感器是无源遥测中的最主要的一类。

随着传感器市场的发展，无线传感器将成为物联网发展的一个重要方向。但是传感器微型化程度加深，引线问题是需要解决的一大问题，另外有些场合不能使用引线，这就需要使用无线传感器。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种无线无源电容式湿度传感器，该湿度传感器采用无线无源元件构成，具有非接触、体积小、功耗低的性能优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种无线无源电容式湿度传感器，该湿度传感器包括硅衬底、热氧化层、多晶硅层、二氧化硅层、金属层和钝化层，热氧化层固定连接在硅衬底顶面，多晶硅层固定连接在热氧化层顶面，多晶硅层中刻蚀有一个多晶硅加热电阻和连接引线，二氧化硅层覆盖在多晶硅层的表面，金属层固定连接在二氧化硅层的顶面，钝化层覆盖在金属层的顶面；二氧化硅层、多晶硅层和金属层上设有相连通的通孔；

金属层中刻蚀有梳齿电容、片上电感和加热电阻锚区，梳齿电容位于多晶硅加热电阻的正上方，梳齿电容包括上电极锚区、下电极锚区、以及与上电极锚区和下电极锚区连接的一对梳齿，梳齿电容中填充有感湿的聚酰亚胺层；片上电感布设在梳齿电容外侧，片上电感的内引线通过连接线与梳齿电容的下电极锚区相连，片上电感的外引线锚区与梳齿电容的上电极锚区通过多晶硅层中的连接引线以及二氧化硅层、多晶硅层和金属层间的相连的通孔实现互连；加热电阻锚区位于片上电感的外侧。

进一步，所述的片上电感呈环形，且梳齿电容位于片上电感的中间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 由无线无源元件构成。本发明的湿度传感器由电感、电容全无源元件构成，利用不同的敏感电容检测湿度的变化，利用电感耦合输出信号。随着传感器市场的发展，无线传感器将成为物联网发展的一个重要方向。但是传感器微型化程度加深，引线问题是需要解决的一大问题，另外有些场合不能使用引线，这就需要使用无线传感器。本发明的传感器省去传感器输出引线，有利于无线传感器的发展。

2. 体积小、功耗低、可适用于恶劣环境。本发明的无线无源电容式湿度传感器利用电感、电容等全无源元件电容式湿度传感器，通过谐振频率来得到湿度的变化，传感器体积小、功耗低、适用于恶劣环境应用。

3.具有一致性好，成本低的优点。本发明是一种与CMOS工艺兼容的无源无线电容式湿度传感器，可以采用CMOS标准工艺和MEMS关键工艺，因此该湿度传感器具有一致性好，成本低的优点。

4. 具有非接触结构。本发明的湿度传感器测量湿度的时候是采用非接触测量，利用结构的感应信号作为输出信号。

5. 本发明的湿度传感器将电感直接做在梳齿电容的外围，避免外接引线，减小了互连线的长度，降低了寄生电感，减小寄生效应，可以简化等效电学模型。

附图说明

图1为本发明的纵向剖视图。

图2为本发明中金属层的剖面图。

图中有：硅衬底1、热氧化层2、多晶硅层3、二氧化硅层4、金属层5、钝化层6、聚酰亚胺层7、多晶硅加热电阻8、梳齿电容9、上电极锚区101、下电极锚区102、片上电感11、连接线12、外引线锚区13、加热电阻锚区14。

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和图2所示，本发明的一种无线无源电容式湿度传感器，包括硅衬底1、热氧化层2、多晶硅层3、二氧化硅层4、金属层5和钝化层6。热氧化层2固定连接在硅衬底1顶面，多晶硅层3固定连接在热氧化层2顶面。多晶硅层3中刻蚀有一个多晶硅加热电阻8和连接引线。二氧化硅层4覆盖在多晶硅层3的表面，金属层5固定连接在二氧化硅层4的顶面，钝化层6覆盖在金属层5的顶面。二氧化硅层4、多晶硅层3和金属层5上设有相连通的通孔。金属层5中刻蚀有梳齿电容9、片上电感11和加热电阻锚区14。梳齿电容9位于多晶硅加热电阻8的正上方。梳齿电容9包括上电极锚区101、下电极锚区102、以及与上电极锚区101和下电极锚区102连接的一对梳齿。上电极锚区101上连接一排梳齿，下电极锚区102上也连接一排梳齿。这两排梳齿交叉布设，形成一对梳齿。梳齿电容9中填充有感湿的聚酰亚胺层7。片上电感11布设在梳齿电容9外侧。片上电感11的内引线通过连接线12与梳齿电容9的下电极锚区102相连，片上电感11的外引线锚区13与梳齿电容9的上电极锚区101之间的连接需要借助多晶硅层3中的连接引线以及两个和二氧化硅层4、多晶硅层3和金属层5相互连接的通孔来实现。加热电阻锚区14位于片上电感11的外侧。

作为优选，片上电感11呈环形，且梳齿电容9位于片上电感11的中间。综合考虑平面片上电感11的电感量以及Q值，片上电感11采取中空结构。这样，梳齿电容9置于片上电感11中部，就不会增加器件的整体尺寸。

在上述结构的无线无源电容式湿度传感器中，热氧化层2作为多晶硅加热电阻8和衬底1之间的绝缘层。梳齿电容9在多晶硅加热电阻8的正上方，增加了铝电极间凹槽的深度，从而使得凹槽中可以填充更多的聚酰亚胺层7。梳齿电容9是金属构成的，下方是二氧化硅层4，光是金属层5厚度太小，所以腐蚀的时候不仅腐蚀金属，而且把二氧化硅层4也腐蚀点一部分，这样就能填充更多的感湿材料聚醯亚胺层7。片上电感11的内引线通过连接线12与梳齿电容9的下电极锚区102相连，其实就相当于直接是金属线相连。

上述结构的无线无源电容式湿度传感器的工作过程是：先将加热电阻锚区14和外部电源连接，当湿度发生变化时，起到感湿作用的聚酰亚胺层7的介质常数会发生变化，这样梳齿电容9的容值就会发生变化，进而引起LC回路的谐振频率的变化。外部读出电路中的LC回路谐振频率就会发生变化。通过LC回路的谐振频率变化，从而实现了湿度信号的无源无线测量。该传感器的湿度信号通过电感耦合方式无线输出。这样通过电容变化就可以得到外界的湿度变化。

Claims (2)

1.一种无线无源电容式湿度传感器，其特征在于，该湿度传感器包括硅衬底（1）、热氧化层（2）、多晶硅层（3）、二氧化硅层（4）、金属层（5）和钝化层（6），热氧化层（2）固定连接在硅衬底（1）顶面，多晶硅层（3）固定连接在热氧化层（2）顶面，多晶硅层（3）中刻蚀有一个多晶硅加热电阻（8）和连接引线，二氧化硅层（4）覆盖在多晶硅层（3）的表面，金属层（5）固定连接在二氧化硅层（4）的顶面，钝化层（6）覆盖在金属层（5）的顶面；二氧化硅层（4）、多晶硅层（3）和金属层（5）上设有相连通的通孔；

金属层（5）中刻蚀有梳齿电容（9）、片上电感（11）和加热电阻锚区（14），梳齿电容（9）位于多晶硅加热电阻（8）的正上方，梳齿电容（9）包括上电极锚区（101）、下电极锚区（102）、以及与上电极锚区（101）和下电极锚区（102）连接的一对梳齿，梳齿电容（9）中填充有感湿的聚酰亚胺层（7）；片上电感（11）布设在梳齿电容（9）外侧，片上电感（11）的内引线通过连接线（12）与梳齿电容（9）的下电极锚区（102）相连，片上电感（11）的外引线锚区（13）与梳齿电容（9）的上电极锚区（101）通过多晶硅层（3）中的连接引线以及二氧化硅层（4）、多晶硅层（3）和金属层（5）间的相连的通孔实现互连；加热电阻锚区（14）位于片上电感（11）的外侧。

2.按照权利要求1所述的无线无源电容式湿度传感器，其特征在于，所述的片上电感（11）呈环形，且梳齿电容（9）位于片上电感（11）的中间。