CN107702827B - 一种基于超材料结构的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料结构的压力传感器，该压力传感器包括基板、输入微带信号线一、输入微带信号线二、金属‑绝缘层‑金属（MIM）电容的下极板、金属‑绝缘层‑金属（MIM）电容的绝缘层、金属‑绝缘层‑金属（MIM）电容的上极板、开路短截线电感、微带信号线三、微波功率合成器的输入端、微波功率合成器的输出端、微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线、微波功率合成器的隔离电阻、微带线地线、压力感应腔体；该压力传感器采用金属‑绝缘层‑金属（MIM）电容感应压力的变化，并通过微波功率合成器合成的微波功率变化实现压力测量，具有灵敏度高、体积小、测量范围大、测量误差小的优势。

Description

一种基于超材料结构的压力传感器
技术领域
本发明是一种基于超材料结构的压力传感器，属于微电子器件技术领域。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。近年来，压力传感器的发展越来越趋向于微型化。微压力传感器是采用半导体材料和MEMS工艺制造的新型压力传感器。与传统压力传感器相比，微压力传感器具有精度高、敏捷度高、动态特性好、体积小、耐侵蚀、成本低等长处。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，开展压力传感器产业化方面的工作是非常有意义的。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于超材料结构的压力传感器，该压力传感器利用超材料结构的相移输出变化导致的微波功率合成器合成效率变化的原理实现，当压力发生变化时，放置于压力感应腔体上方的金属-绝缘层-金属(MIM)电容会发生变形导致电容值变化，这会使由该电容和开路短截线电感构成的超材料结构产生相应的相移输出变化，从而导致两路分别进入微波功率合成器输入端的微波信号不同相位，进而影响整个微波功率合成器的合成效率，通过检测微波功率合成器的输出端输出微波信号的功率大小，实现压力的测量。采用该结构可以实现高灵敏度、低误差和微波功率输出，并且能与Si或GaAs工艺相兼容，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，从而为实现基于超材料结构的压力传感器在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于超材料结构的压力传感器，该压力传感器包括基板、输入微带信号线一、输入微带信号线二、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板、开路短截线电感、微带信号线三、微波功率合成器的输入端、微波功率合成器的输出端、微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线、微波功率合成器的隔离电阻、微带线地线、压力感应腔体；所述微带线地线位于基板的下表面，压力感应腔体位于金属-绝缘层-金属(MIM)电容下方，其余部分放置于基板的上表面，输入微带信号线一与微波功率合成器的输入端连接，输入微带信号线二与金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板连接，金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层位于金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板上方，金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板位于金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层上方，金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板与微带信号线三一端连接，微带信号线三另一端与微波功率合成器的输入端连接，微波功率合成器的输入端与微波功率合成器的输出端连接，微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线一端分别与微波功率合成器的输入端连接，另一端与微波功率合成器的隔离电阻连接，开路短截线电感与输入微带信号线二、微带信号线三连接。当压力传感器处于恒定的基准压力下时，同相位、同频率、同幅度的两路微波信号分别进入输入微带信号线一和输入微带信号线二，设计使得由金属-绝缘层-金属(MIM)电容和开路短截线电感构成的超材料结构和输入微带信号线一具有相同的相移，此时两路同相位的微波信号会分别进入微波功率合成器的输入端，并被无损耗的合成为一个微波信号由微波功率合成器的输出端输出；当压力发生变化时，由于金属-绝缘层-金属(MIM)电容下方为压力感应腔体，使得金属-绝缘层-金属(MIM)电容发生变形导致电容值变化，这会使由该电容和开路短截线电感构成的超材料结构产生相应的相移输出变化，从而导致两路分别进入微波功率合成器输入端的微波信号不同相位，进而影响整个微波功率合成器的合成效率，通过检测微波功率合成器的输出端输出微波信号的功率大小，实现压力的测量。超材料结构的相移公式为：
其中，Δφ是相移变化，f是输入微波信号频率，L是开路短截线电感量，C是基准压力下的基准金属-绝缘层-金属(MIM)电容的电容量，ΔC是压力变化时金属-绝缘层-金属(MIM)电容的电容变化量。
该压力传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；该压力传感器采用金属-绝缘层-金属(MIM)电容感应压力的变化，并通过微波功率合成器合成的微波功率变化实现压力测量，具有灵敏度高、测量范围大、测量误差小的优势。
本发明的有益效果是：
本发明中的基于超材料结构的压力传感器，突破了传统检测原理的思维限制，寻找到了基于合成微波功率检测的实现方法，灵敏度和体积都有较大的提升。同时，超材料结构的压力传感器还具有结构简单、微波功率输出测量范围大、测量误差小、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是基于超材料结构的压力传感器的结构示意图。
图2是基于超材料结构的压力传感器A-A′剖面图。
其中有：基板1、输入微带信号线一2、输入微带信号线二3、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板4、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层5、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板6、开路短截线电感7、8、微带信号线三9、微波功率合成器的输入端10、11、微波功率合成器的输出端12、微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线13、14、微波功率合成器的隔离电阻15、微带线地线16、压力感应腔体17。
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和图2，本发明提供了一种基于超材料结构的压力传感器，该压力传感器包括基板1、输入微带信号线一2、输入微带信号线二3、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板4、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层5、金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板6、开路短截线电感7、8、微带信号线三9、微波功率合成器的输入端10、11、微波功率合成器的输出端12、微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线13、14、微波功率合成器的隔离电阻15、微带线地线16、压力感应腔体17；所述微带线地线16位于基板1的下表面，压力感应腔体17位于金属-绝缘层-金属(MIM)电容下方，其余部分放置于基板1的上表面，输入微带信号线一2与微波功率合成器的输入端11连接，输入微带信号线二3与金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板4连接，金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层5位于金属-绝缘层-金属(MIM)电容的下极板4上方，金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板6位于金属-绝缘层-金属(MIM)电容的绝缘层5上方，金属-绝缘层-金属(MIM)电容的上极板6与微带信号线三9一端连接，微带信号线三9另一端与微波功率合成器的输入端10连接，微波功率合成器的输入端10、11与微波功率合成器的输出端12连接，微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线13、14一端分别与微波功率合成器的输入端10、11连接，另一端与微波功率合成器的隔离电阻15连接，开路短截线电感7、8与输入微带信号线二3、微带信号线三9连接。
当压力传感器处于恒定的基准压力下时，同相位、同频率、同幅度的两路微波信号分别进入输入微带信号线一2和输入微带信号线二3，设计使得由金属-绝缘层-金属(MIM)电容和开路短截线电感7、8构成的超材料结构和输入微带信号线12具有相同的相移，此时两路同相位的微波信号会分别进入微波功率合成器的输入端10、11，并被无损耗的合成为一个微波信号由微波功率合成器的输出端12输出；当压力发生变化时，由于金属-绝缘层-金属(MIM)电容下方为压力感应腔体17，使得金属-绝缘层-金属(MIM)电容发生变形导致电容值变化，这会使由该电容和开路短截线电感7、8构成的超材料结构产生相应的相移输出变化，从而导致两路分别进入微波功率合成器输入端10、11的微波信号不同相位，进而影响整个微波功率合成器的合成效率，通过检测微波功率合成器的输出端12输出微波信号的功率大小，实现压力的测量。
该压力传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；该压力传感器采用金属-绝缘层-金属(MIM)电容感应压力的变化，并通过微波功率合成器合成的微波功率变化实现压力测量，具有灵敏度高、测量范围大、测量误差小的优势。
本发明中基于超材料结构的压力传感器不同于其它传统的压力传感器，该压力传感器具有以下主要特点：一、超材料结构中放置于压力感应腔体上方的金属-绝缘层-金属(MIM)电容对压力变化敏感，使得超材料结构的相移输出变化较大，导致微波功率合成器的合成效率变化较大，因此可以提高灵敏度；二、该压力传感器为合成的微波功率输出，相较于传统压力传感器的电容或电阻变化量的输出测量范围更大，测量误差更小；三、该压力传感器结构简单、体积小，可以实现高可靠和微型化的应用需求；四、该压力传感器的制作无需特殊的材料并且与Si或GaAs工艺完全兼容。
区分是否为该结构的标准如下：
(a)采用放置于压力感应腔体上方的金属-绝缘层-金属(MIM)电容感应压力变化，
(b)采用由金属-绝缘层-金属(MIM)电容和开路短截线电感构成的超材料结构，
(c)采用微波功率合成器结构。
满足以上三个条件的结构即应视为该结构的压力传感器。
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 (2)

1.一种基于超材料结构的压力传感器，其特征在于：包括基板（1）、输入微带信号线一（2）、输入微带信号线二（3）、MIM电容的下极板（4）、MIM电容的绝缘层（5）、MIM电容的上极板（6）、开路短截线电感一（7）、开路短截线电感二（8）、微带信号线三（9）、微波功率合成器的输入端一（10）、微波功率合成器的输入端二（11）、微波功率合成器的输出端（12）、微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线一（13）、微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线二（14）、微波功率合成器的隔离电阻（15）、微带线地线（16）、压力感应腔体（17）,微带线地线（16）位于基板（1）的下表面，压力感应腔体（17）位于MIM电容下方，其余部分放置于基板（1）的上表面，输入微带信号线一（2）与微波功率合成器的输入端二（11）连接，输入微带信号线二（3）与MIM电容的下极板（4）连接，MIM电容的绝缘层（5）位于MIM电容的下极板（4）上方，MIM电容的上极板（6）位于MIM电容的绝缘层（5）上方，MIM电容的上极板（6）与微带信号线三（9）一端连接，微带信号线三（9）另一端与微波功率合成器的输入端一（10）连接，微波功率合成器的输入端一（10）和微波功率合成器的输入端二（11）均与微波功率合成器的输出端（12）连接，微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线一（13）和微波功率合成器的隔离电阻连接用微带信号线二（14）一端分别与微波功率合成器的输入端一（10）和微波功率合成器的输入端二（11）连接，另一端与微波功率合成器的隔离电阻（15）连接，开路短截线电感一（7）和开路短截线电感二（8）分别与输入微带信号线二（3）、微带信号线三（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料结构的压力传感器的使用方法，其特征在于：当压力传感器处于恒定的基准压力下时，同相位、同频率、同幅度的两路微波信号分别进入输入微带信号线一和输入微带信号线二，设计使得由MIM电容和开路短截线电感构成的超材料结构和输入微带信号线一具有相同的相移，此时两路同相位的微波信号会分别进入微波功率合成器的输入端，并被无损耗的合成为一个微波信号由微波功率合成器的输出端输出；当压力发生变化时，由于MIM电容下方为压力感应腔体，使得MIM电容发生变形导致电容值变化，这会使由该电容和开路短截线电感构成的超材料结构产生相应的相移输出变化，从而导致两路分别进入微波功率合成器输入端的微波信号不同相位，进而影响整个微波功率合成器的合成效率，通过检测微波功率合成器的输出端输出微波信号的功率大小，实现压力的测量。
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