CN106841315A - 一种基于定向耦合器结构的mems湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器。该湿度传感器包括定向耦合器(1)、与定向耦合器(1)中的第二耦合器信号线(1b)中的耦合端口(1c)和隔离端口(1d)分别连接的第一终端式微波功率传感器(2)和第二终端式微波功率传感器(3)、湿度敏感材料聚酰亚胺(4)；其中，定向耦合器(1)包括第一耦合器信号线(1a)和第二耦合器信号线(1b))。本发明通过吸收了水汽分子的聚酰亚胺(4)介电常数发生变化，导致定向耦合器(1)的第二耦合器信号线(1b)中的隔离端口(1d)和耦合端口(1c)输出的微波功率发生变化，从而实现湿度的测量。

Description

一种基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器
技术领域
本发明是基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器。这种湿度传感器通过湿度变化时聚酰亚胺的介电常数发生变化，使得定向耦合器的隔离端口和耦合端口输出的微波功率发生变化，利用终端式微波功率传感器测量这两个端口的功率变化，实现湿度的测量。整个结构采用微电子工艺加工，属于微电子器件技术领域。
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。聚酰亚胺与CMOS工艺兼容且具有良好的感湿特性，因此常被用做湿度传感器的敏感材料。近年来，我国物联网取得了长足发展，而传感器作为物联网中的必要组成部分，也必将得到进一步推广和应用，在这样的形势下，开展湿度传感器产业化方面的工作是非常有意义的。
定向耦合器以及终端式微波功率传感器在微波系统中的应用十分广泛。本发明将两种器件应用到湿度传感器中，可以提升湿度传感器的性能，与传统的湿度传感器相比，本发明中提出的基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器有着更高的灵敏度、更高的可靠性以及更低的功耗。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器，该湿度传感器利用具有良好感湿特性的聚酰亚胺作为湿度敏感介质，通过湿度变化时其介电常数的变化，使输出微波功率发生变化，并通过MEMS终端式微波功率传感器结构输出热电压，从而实现湿度的测量，并解决在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现基于MEMS技术的湿度传感器在气象监测领域的产业化应用提供了支持和保证。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器，该湿度传感器包括定向耦合器、与定向耦合器中的第二耦合器信号线中的耦合端口和隔离端口分别连接的第一终端式微波功率传感器和第二终端式微波功率传感器、湿度敏感材料聚酰亚胺；
其中，定向耦合器包括第一耦合器信号线和与第一耦合器信号线相对设置且间隔一定距离的第二耦合器信号线，其中第一耦合器信号线包括第一主体以及自第一主体两端延伸的输入端口和输出端口，第二耦合器信号线包括第二主体以及自第二主体两端分别弯折延伸的弯耦合端口和隔离端口；
第一终端式微波功率传感器包括与耦合端口连接的第一传感器信号线、分别设置在第一传感器信号线两侧且与其相距一定距离的第一地线和第二地线、设置在第一地线和第一传感器信号线之间的第一负载电阻、设置在第一传感器信号线和第二地线之间的第二负载电阻、设置在与第一传感器信号线相对的位置且与其相距一定距离的第一热电堆以及布置在第一热电堆两个端口的第一输出端口和第二输出端口；
第二终端式微波功率传感器包括与隔离端口连接的第二传感器信号线、分别设置在第二传感器信号线两侧且与其相距一定距离的第三地线和第四地线、设置在第三地线和第二传感器信号线之间的第三负载电阻、设置在第二传感器信号线和第四地线之间的第四负载电阻、设置在与第二传感器信号线相对的位置且与其相距一定距离的第二热电堆以及分别布置在第二热电堆两个端口的第三输出端口和第四输出端口；
当湿度变化时，吸收了水汽分子的聚酰亚胺介电常数发生变化，从而导致定向耦合器的第二耦合器信号线中的隔离端口和耦合端口输出的微波功率发生变化，与定向耦合器的第二耦合器信号线的耦合端口和隔离端口连接的第一终端式微波功率传感器和第二终端式微波功率传感器用于测量耦合端口和隔离端口的功率变化，从而实现湿度的测量。
有益效果：该湿度传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，可以达到较高的精度水平，实现器件小型化；使用感湿特性良好的聚酰亚胺作为湿度敏感介质使得器件可以拥有较高的测量灵敏度；热电堆使用多个热电偶串接而成使得输出的热电压更易于测量，功耗更低，可靠性更高。
近年来，湿度传感器的发展越来越趋向于微型化，本发明是基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器，当空气湿度发生变化时，可以通过聚酰亚胺吸收空气中的水汽分子改变介电常数，从而导致定向耦合器的隔离端口和耦合端口输出的微波功率发生变化，利用终端式微波功率传感器测量耦合端口和隔离端口的功率变化，从而实现湿度的测量。在微电子工艺下，该湿度传感器具有结构简单、灵敏度高、电压输出易于测量、体积小、功耗低、可靠性高等诸多优点。
附图说明
图1是基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器示意图。
其中有：衬底、定向耦合器1、第一终端式微波功率传感器2和第二终端式微波功率传感器3、湿度敏感材料聚酰亚胺(polymide)4；
其中定向耦合器1包括第一耦合器信号线1a、第二耦合器信号线1b，输入端口1e、输出端口1f，耦合端口1c和隔离端口1d；
第一终端式微波功率传感器2包括第一传感器信号线2a、第一地线2b、第二地线2c、第一负载电阻2d、第二负载电阻2e、第一热电堆2f、第一输出端口2g和第二输出端口2h；
第二终端式微波功率传感器3包括第二传感器信号线3a、第三地线3b、第四地线3c、第三负载电阻3d、第四负载电阻3e、第二热电堆3f、第三输出端口3g、第四输出端口3h。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明提供了一种基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器，该湿度传感器包括定向耦合器1、与定向耦合器1中的第二耦合器信号线1b中的耦合端口1c和隔离端口1d分别连接的第一终端式微波功率传感器2和第二终端式微波功率传感器3、湿度敏感材料聚酰亚胺4。
其中，定向耦合器1包括第一耦合器信号线1a和与第一耦合器信号线相对设置且间隔一定距离的第二耦合器信号线1b，其中第一耦合器信号线1a包括第一主体以及自第一主体两端延伸的输入端口1e和输出端口1f，第二耦合器信号线1b包括第二主体以及自第二主体两端分别弯折延伸的弯耦合端口1c和隔离端口1d；
第一终端式微波功率传感器2包括与耦合端口1c连接的第一传感器信号线2a、分别设置在第一传感器信号线2a两侧且与其相距一定距离的第一地线2b和第二地线2c、设置在第一地线2b和第一传感器信号线2a之间的第一负载电阻2d、设置在第一传感器信号线2a和第二地线2c之间的第二负载电阻2e、设置在与第一传感器信号线2a相对的位置且与其相距一定距离的第一热电堆2f以及布置在第一热电堆两个端口的第一输出端口2g和第二输出端口2h；
第二终端式微波功率传感器3包括与隔离端口1d连接的第二传感器信号线3a、分别设置在第二传感器信号线3a两侧且与其相距一定距离的第三地线3b和第四地线3c、设置在第三地线3b和第二传感器信号线3a之间的第三负载电阻3d、设置在第二传感器信号线3a和第四地线3c之间的第四负载电阻3e、设置在与第二传感器信号线3a相对的位置且与其相距一定距离的第二热电堆3f以及分别布置在第二热电堆3f两个端口的第三输出端口3g和第四输出端口3h；
当湿度变化时，吸收了水汽分子的聚酰亚胺4介电常数发生变化，从而导致定向耦合器1的第二耦合器信号线1b中的隔离端口和耦合端口输出的微波功率发生变化，与定向耦合器1的第二耦合器信号线1b的耦合端口1c和隔离端口1d连接的第一终端式微波功率传感器2和第二终端式微波功率传感器3用于测量耦合端口1c和隔离端口1d的功率变化，从而实现湿度的测量。
该湿度传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，可以达到较高的精度水平，实现器件小型化；使用感湿特性良好的聚酰亚胺作为湿度敏感介质使得器件可以拥有较高的测量灵敏度；热电堆使用多个热电偶串接而成使得输出的热电压更易于测量，功耗更低，可靠性更高。
本发明中基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器不同于传统的湿度传感器，该湿度传感器具有以下主要特点：一、该湿度传感器结构简单，器件精度高，整个传感器小型化；二、测量灵敏度高；三、输出热电压易于测量、功耗低、可靠性高。
区分是否为该结构的标准如下：
(a)采用定向耦合器结构，
(b)采用MEMS终端式微波功率传感器结构，
(c)采用聚酰亚胺作为湿度敏感介质。
满足以上三个条件的结构即应视为该结构的湿度传感器。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于定向耦合器结构的MEMS湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括定向耦合器(1)、与定向耦合器(1)中的第二耦合器信号线(1b)中的耦合端口(1c)和隔离端口(1d)分别连接的第一终端式微波功率传感器(2)和第二终端式微波功率传感器(3)、湿度敏感材料聚酰亚胺(4)；
其中，定向耦合器(1)包括第一耦合器信号线(1a)和与第一耦合器信号线相对设置且间隔一定距离的第二耦合器信号线(1b)，其中第一耦合器信号线(1a)包括第一主体以及自第一主体两端延伸的输入端口(1e)和输出端口(1f)，第二耦合器信号线(1b)包括第二主体以及自第二主体两端分别弯折延伸的耦合端口(1c)和隔离端口(1d)；
第一终端式微波功率传感器(2)包括与耦合端口(1c)连接的第一传感器信号线(2a)、分别设置在第一传感器信号线(2a)两侧且与其相距一定距离的第一地线(2b)和第二地线(2c)、设置在第一地线(2b)和第一传感器信号线(2a)之间的第一负载电阻(2d)、设置在第一传感器信号线(2a)和第二地线(2c)之间的第二负载电阻(2e)、设置在与第一传感器信号线(2a)相对的位置且与其相距一定距离的第一热电堆(2f)以及布置在第一热电堆两个端口的第一输出端口(2g)和第二输出端口(2h)；
第二终端式微波功率传感器(3)包括与隔离端口(1d)连接的第二传感器信号线(3a)、分别设置在第二传感器信号线(3a)两侧且与其相距一定距离的第三地线(3b)和第四地线(3c)、设置在第三地线(3b)和第二传感器信号线(3a)之间的第三负载电阻(3d)、设置在第二传感器信号线(3a)和第四地线(3c)之间的第四负载电阻(3e)、设置在与第二传感器信号线(3a)相对的位置且与其相距一定距离的第二热电堆(3f)以及分别布置在第二热电堆(3f)两个端口的第三输出端口(3g)和第四输出端口(3h)；
当湿度变化时，吸收了水汽分子的聚酰亚胺(4)介电常数发生变化，从而导致定向耦合器(1)的第二耦合器信号线(1b)中的隔离端口(1d)和耦合端口(1c)输出的微波功率发生变化，与定向耦合器(1)的第二耦合器信号线(1b)的耦合端口(1c)和隔离端口(1d)连接的第一终端式微波功率传感器(2)和第二终端式微波功率传感器(3)用于测量耦合端口(1c)和隔离端口(1d)的功率变化，从而实现湿度的测量。
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