CN104269039A

CN104269039A - 一种无线湿度传感器

Info

Publication number: CN104269039A
Application number: CN201410507611.5A
Authority: CN
Inventors: 何怡刚; 邓芳明; 佐磊; 尹柏强; 李兵
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2015-01-07

Abstract

一种无线湿度传感器，包括天线、匹配网络、整流器、上电复位电路、湿度传感器、传感器接口电路和调制电路组成；天线与匹配网络输入端和调制电路输出端相连；匹配网络输出端与整流器输入端相连；整流电路两输出端分别于上电复位电路电路输入端和传感器接口电路一输入端相连；上电复位电路输出端与传感器接口电路一输入端相连；湿度传感器输出端与传感器接口电路一输出端相连；传感器接口电路输出端与调制电路输入端相连。湿度传感器与整流器、上电复位电路、传感器接口电路和调制电路集成在同一芯片上，采用无源供电，无需内置电源，有效降低了制造成本，整体功耗低，有效工作距离长。

Description

一种无线湿度传感器

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。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：采用标准CMOS工艺，将湿度传感器与收发电路集成在同一芯片上，降低制造成本低；整流器采用内部栅极电压自偏置结构，提升了二极管连接MOS开关管的整流效率，避免了使用成本较高的肖特基二极管工艺；传感器接口电路采用直接将传感器信号转换为数字信号，采用全数字结构，功耗极低；由于传感器接口电路对电源电压的变化不敏感，采用无源供电，无需内置电源，去除了传统无源RFID标签芯片内部所需的稳压电路，有效降低了制造成本；无线湿度传感器整体功耗极低，工作距离长。基于无源RFID技术的无线湿度传感器不仅拓宽了RFID标签的应用范围，而且有利于降低系统成本、减小电路面积及提高系统稳定性。

附图说明

图1是本发明的无线湿度传感器原理框图；

图2（a）是本发明的湿度传感器的剖面图；

图2（b）是本发明的湿度传感器的俯视图；

图3是本发明的整流器电路图；

图4是本发明的传感器接口电路结构图；

图5是所测试的环境湿度与反向散射信号对比图。

具体实施方式

下面结合附图和较优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。以下较优选实施例仅仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。

参照图1，无线湿度传感器包括天线、匹配网络和传感器芯片，匹配网络的输入端接天线，匹配网络的输出端接传感器芯片的输入端，传感器芯片的输出端接天线。传感器芯片包括整流器、上电复位电路、湿度传感器、传感器接口电路和调制电路五个模块。

所述传感器芯片包含整流器、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V_P和传感器接口电路的电源端V₁相连；传感器接口电路的复位端RST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。

所述天线和匹配网络设计在印制电路板上，在匹配情况下，传感器芯片接收到的功率最大。整流器将接收的交流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电源电压。上电复位电路用于传感器接口电路的清零。湿度传感器检测到的环境湿度的变化，经传感器接口电路转换为相应的数字信号。传感器数字信号经调制电路与天线，完成ASK反向散射调制，返回给阅读器。

所述湿度传感器采用中芯国际标准0.18μm CMOS工序，无任何工艺后处理。如图2（a）、图2（b）所示，首先在硅衬底上生长一层薄二氧化硅绝缘层，其次在绝缘层沉积一层金属铝，再经过光刻和湿法刻蚀步骤制成叉指电极，最后在表面沉积一层厚聚酰亚胺作为湿度感应层。本次设计中，叉指电极数量为40，铝电极的长度为L=200μm，铝电极宽度为S=2.5μm，相邻铝电极间隔为W=2.5μm，聚酰亚胺层厚度H=2.4μm，金属层的厚度h=1μm，在相对湿度变化范围内所设计的湿度传感器电容值为5－6.5pF。

所述整流器采用标准CMOS工艺，采用内部自偏压结构降低了完成二极管功能的MOS管得导通电压。如图3所示，采用三级差分输入结构，每一级采用完全相同的结构，下面以第一级（NMOS管MN₁₁与MN₁₂、PMOS管MP₁₁与MP₁₂）来说明每一级内部连接。输入信号正极V_RF+经输入耦合电容C_C与MN₁₁的漏极、MP₁₁的源极、MN₁₂和MP₁₂的栅极相连；输入信号负极V_RF-经输入耦合电容C_C与MN₁₂的漏极、MP₁₂的源极、MN₁₁和MP₁₁的栅极相连；MN₁₁与MN₁₂的源极相连作为每级直流信号输入端，MP₁₁和MP₁₂的漏极相连作为每级直流信号输出端；NMOS管MN₁₁与MP₁₁的衬底与最低直流电压，即每级直流信号输入端相连；PMOS管MP₁₁与MP₁₂的衬底与最高直流电压，即每级直流信号输出端相连。

所述传感器接口电路采用锁相环结构，直接完成传感器电容值转换为相应数字信号输出。如图4所示，传感器控制振荡器SCO与数字控制振荡器DCO都是5级环形振荡器，不同的是，SCO包含传感器电容，而DCO包含一个开关控制的可变负载电容。所以SCO频率受到传感器电容的调制，DCO频率受到鉴相器PD输出的数字输出信号的调制。DCO的可变负载电容由偏置电容和开关电容构成，其中始终接入电路且和偏置大小一致；而开关电容C_m受到开关控制接入，考虑到线性度及流片后的误差，一般开关电容设计为可编程电容，且取值为最大变化范围的1-2倍。为了减小功耗和增加灵敏度，虚拟电容取值较小。鉴相器PD是简单的D触发器DFF，它的输出经反馈去控制开关电容是否接入。在环路稳定的情况下，鉴相器PD输出是一个占空比（Duty Cycle）受到调制的信号，且该信号的平均值和传感器电容的值变化成比例。

由于本发明接口电路在频率域处理传感器信号，对电源电压的变化不敏感，因此相比其它RFID标签电路，本发明的传感器芯片中整流器之后没有采用稳压电路。图5测试了本发明的无线湿度传感器分别在-20dbm，-12dbm和-5dbm三种输入信号功率情况下的反向散射信号，三次测试结果的一致性证实了本发明接口电路对电源电压的变化不敏感。

Claims

1.一种无线湿度传感器，其特征在于，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，用于接收阅读器无线信号和发送调制电路信号；

所述匹配网络，用于完成天线与整流器的功率匹配，达到最佳功率接收状态；

所述整流器，用于完成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电源电压；

所述上电复位电路，用于完成传感器接口电路的复位清零；

所述湿度传感器，用于完成环境温度的检测；

所述传感器接口电路，用于完成将湿度传感器检测的信号转换为相对应的输出数字信号；

所述调制电路用于完成输出数字信号的ASK反向散射调制。

2.根据权利要求1所述的无线湿度传感器，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的无线湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器采用标准CMOS工艺制造，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湿度感应层。

4.根据权利要求1所述的无线湿度传感器，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的无线湿度传感器，其特征在于，所述传感器接口电路采用全数字结构，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。