CN105938021B - 一种多层电感无源无线lc温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层电感无源无线LC温度传感器，包括温敏电感和电容构成的LC谐振回路，所述温敏电感包括N层层叠的检测电感，各检测电感串联连接，相邻两层检测电感之间及最顶层的检测电感顶部均设有盖片，最底层的检测电感底部设有衬底；每层检测电感结构相同，均包括电感模具，电感模具为螺旋形状的凹槽，凹槽内注有液态金属合金形成螺旋电感；凹槽内、液态金属合金上表面形成金属氧化物保形层，金属氧化物保形层在凹槽内的高度低于凹槽上表面的高度；LC谐振回路中的电容由相邻的两层检测电感质之间的寄生电容并联构成。本发明结构简单、灵敏度高、响应较快。

Description

一种多层电感无源无线LC温度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于微电子机械系统工艺的温度传感器，尤其是一种多层电感无源无线LC温度传感器。

背景技术

无源无线传感器相对于传统的传感器具有体积更小、理论上具有无限寿命等优点，十分适用于狭小密闭环境、恶劣环境以及具有旋转结构的环境之中。LC无源无线传感器一般是由电容和电感两部分构成，它是谐振式传感器的一种，具有结构简单，不包含有源元件，可以集成加工实现等优点，随着MEMS技术和物联网技术的发展，LC无源无线传感器已成为本领域国际上主要研究方向之一，是最有潜力的谐振式无源无线传感器，有着非常重要的应用前景。温度是科学研究、生产乃至日常生活中一个经常测量和控制的重要参数，自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度密切相关，因此对于温度的监测尤为重要。传统的有线温度传感器虽然能够满足大部分应用，但是布线非常不方便。使用无线温度传感器，可以大量节省人力、物力、财力，而且技术上也非常容易实现，但现存的LC无源无线温度传感器较少，且一般是基于敏感电容的变化实现对于温度检测，这种温度传感器具有输出电容与温度之间的非线性比较大，灵敏度较差的缺点。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种针对MEMS领域的、灵敏度高、响应较快且结构简单的LC无源无线传感器，本发明提出一种多层电感无源无线LC温度传感器。

技术方案：本发明提出的技术方案为：

一种多层电感无源无线LC温度传感器，包括温度电感和电容构成的LC谐振回路，所述温敏电感包括N层层叠的检测电感，各检测电感串联连接，相邻两层检测电感之间及最顶层的检测电感顶部均设有盖片4，最底层的检测电感底部设有衬底1；每层检测电感结构相同，均包括电感模具3，电感模具3为螺旋形状的凹槽，凹槽内注有液态金属合金2形成螺旋电感；凹槽内、液态金属合金2上表面形成金属氧化物保形层5，金属氧化物保形层5在凹槽内的高度低于凹槽上表面的高度；LC谐振回路中的电容由相邻的两层检测电感质之间的寄生电容并联构成。

其工作原理为：当温度发生变化时，电感模具3的形状会由于热胀冷缩而发生变化，进而引起液态金属合金2的形貌发生变化，即引起电感值发生变化，从而引起LC谐振回路的谐振频率的改变。外部读出系统可以通过电感线圈近场耦合的非接触方式提取这个谐振频率，进而确定待测的温度值。

进一步的，所述液态金属合金2为共融镓铟合金。

进一步的，所述N＝2。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、综合其材料的加工成本、制作工艺的实现方式以及谐振频率的变化大小来说，本发明提出的双层电感无源无线LC温度传感器具有成本低、制作工艺简单、敏感量大的优点。

2、多层叠层电感，既可增加单位面积上的灵敏度，又可以提高LC传感器的信号Q值，有助于信号提取与分析。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图；

图2为本发明实施例中的纵截面示意图；

图3为本发明实施例中的N取2时的等效电路示意图；

图4为本发明实施例中的N取3时的等效电路示意图；

图5为本发明实施例中的N取4时的等效电路示意图。

图中：1、衬底，2、液态金属合金，3、电感模具，4、盖片，5、金属氧化物保形层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明实施例的结构图，本实施例中N＝2，所述双层电感无源无线LC温度传感器从上至下分为第一盖片、第一检测电感、第二盖片、第二检测电感和衬底1；所述第一检测电感和第二检测电感结构相同，均包括电感模具3，电感模具3设有螺旋形状的凹槽，凹槽内注有液态金属合金2，液态金属合金在螺旋形状的凹槽内形成螺旋电感；凹槽内、液态金属合金上表面形成金属氧化物保形层5，金属氧化物保形层5在凹槽内的高度低于凹槽上表面的高度；第一检测电感、第二检测电感与以第一、第二两层检测电感作为两个电极板的寄生电容串联构成LC谐振回路。

上述实施例的等效电路示意图如图3所示，图中，电感L12为第一检测电感、第二检测电感串联而成，电容C12为以第一检测电感和第二检测电感为两个电极板的寄生电容。

图4为上述实施例中的N取3时的等效电路示意图，其中，电感L123为三层检测电感串联形成的等效电感，电容C12为第一、第二层检测电感之间的寄生电容，电容C23为第二、第三层检测电感之间的寄生电容，C12和C23并联。

图5为上述实施例中的N取4时的等效电路示意图，其中，电感L1234为四层检测电感串联形成的等效电感，电容C12为第一、第二层检测电感之间的寄生电容，电容C23为第二、第三层检测电感之间的寄生电容，C34为第三、第四层检测电感之间的寄生电容，C12、C23、C34并联。

上述实施例的工作原理为：当温度发生变化时，电感模具3的形状会由于热胀冷缩而发生变化，进而引起液态金属合金2的形貌发生变化，即引起电感值发生变化，从而引起传感器节点谐振频率的改变。外部读出系统可以通过电感线圈近场耦合的非接触方式提取这个谐振频率，进而确定待测的温度值。

在本实施例中，衬底1、电感模具3、第一、第二盖片均选用PDMS材料制成，液态金属合金2为液态共融镓铟合金(EGaIn)。

本实施例所述电感式温度传感器的制作过程如下：

首先，制作SU-8阳模，将PDMS树脂和固化剂按体积比10：1的剂量配比，充分搅拌，真空抽气取出所有气泡，并浇注到成型的阳模上，再次去除气泡后，置于75℃烘箱中2h以上进行固化。固化后将整片PDMS盖片揭下，按需要的形状光刻，使用空心针钻孔作为流体进出口，氮气吹掉残余细屑，即制备出PDMS电感模具；其次，将电感模具与另一片电感模具之间加入一片盖片膜片并对准贴合，置于80℃烘箱中1h，实现双层电感模具结构；在电感模具中注入液态金属合金，并在液态金属合金上表面生成氧化物作为金属氧化物保形层5；最后将衬底和顶层盖片与双层电感模具进行对准贴合，实现密封。

在本实施例中，电感由液态金属合金注入到微通道中形成，仅需要通过软光刻以及快速成形的方法，流体电感的制作比传统的微电感制作简单，金属采用共融镓铟合金(EGaIn)，在室温时是低粘度的液体，表面有薄氧化层使得在弹性通道内的机械稳定性。因为是液体导电，机械特性和电感的形状由弹性通道所决定，通道的材料是PDMS。PDMS随温度变化而会发生形变，进而引起液态电感的形貌发生变化，从而可以改变其电感值。由于PDMS电感模具可以忍受可逆的机械形变，因此可以反复测量温度的变化值。

作为对本发明所述技术方案的另一种实施例，模具材料可以采用各向异性变形的膜材料如N-异丙基丙烯酰胺，这样形变的可控性更高。

作为对本发明所述技术方案的另一种实施例，可以对于双层电感的形貌加以设计和改进以适用于不同的应用场合。

作为对本发明所述技术方案的另一种实施例，可以将双层电感改为多层叠层电感，既可增加单位面积上的灵敏度，又可以提高LC传感器的信号Q值，有助于信号提取与分析。

作为对本发明所述技术方案的另一种实施例，液态金属合金可以选用其它的液态金属合金。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多层电感无源无线LC温度传感器，包括温度电感和电容构成的LC谐振回路，其特征在于，所述温度传感器包括N层层叠的检测电感，N为正整数且N的取值范围为2至4；各检测电感串联连接，相邻两层检测电感之间及最顶层的检测电感顶部均设有盖片（4），最底层的检测电感底部设有衬底（1）；每层检测电感结构相同，均包括电感模具（3），电感模具（3）为螺旋形状的凹槽，凹槽内注有液态金属合金（2）形成螺旋电感；凹槽内、液态金属合金（2）上表面形成金属氧化物保形层（5），金属氧化物保形层（5）在凹槽内的高度低于凹槽上表面的高度；LC谐振回路中的电容由相邻的两层检测电感质之间的寄生电容并联构成。

2.根据权利要求1所述的一种多层电感无源无线LC温度传感器，其特征在于，所述衬底（1）、电感模具（3）和盖片（4）均由PDMS或N-异丙基丙烯酰胺材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种多层电感无源无线LC温度传感器，其特征在于，所述液态金属合金（2）为共融镓铟合金。