CN107782472A - 电感双端固支梁无线无源应力传感器 - Google Patents

电感双端固支梁无线无源应力传感器 Download PDF

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王立峰
黄庆安
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    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators

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Abstract

一种电感双端固支梁无线无源应力传感器，包括衬底、绝缘介质层、电感结构、锚区结构、电感双端固支梁结构；所述绝缘介质层设置在所述衬底表面；所述电感结构和所述锚区结构设置在所述绝缘介质层表面；所述电感双端固支梁结构的两端与所述锚区结构形成固定连接；所述电感双端固支梁和所述电感结构构成LC谐振回路。本发明的无线无源的LC谐振回路为片上集成结构，具有体积小、功耗低和可批量生产的优点；本发明利用电感双端固支梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的灵敏度高、结构简单且易于加工；本发明无需引线和电池供电，能在高温环境、密闭环境或旋转环境等恶劣环境进行应力测量。

Description

电感双端固支梁无线无源应力传感器
技术领域
本发明涉及一种电感双端固支梁无线无源应力传感器技术，属于微电子技术领域。
背景技术
人们在生产和生活中会接触或使用到各种各样的支撑结构，包括桥梁、高楼、大坝等大型的工程结构，以及支架、骨骼等小型结构。这些支撑结构的共同特点就是要承受一定的重力或压力。在长期的承重条件下，支撑结构会逐渐产生应力和应变，最终可能导致支撑结构的断裂，使人们的财产甚至生命遭受损失。因此，对于这些支撑结构的应力等参数的监测就显得十分必要。纵观应力传感器的发展历程，应力传感器朝着智能化的集成式应力传感器方向发展，从有线的应力传感器向着无线的应力传感器方向发展。
半导体集成电路工艺和MEMS(微机电系统)技术的发展和进步，大大促进了应力传感器的发展。多种不同原理和结构的微型应力传感器被发明出来。较为常见的应力传感器结构有电阻应变片、压阻式、压电式和变容式等。
传统的应力监测方法是将有线的或含有电池的传感器贴在待测结构表面进行监测。有线的传感器可以埋入到某些待测结构内部，但传感器的引线给埋入带来了麻烦并且限制了它们的应用范围。无线有源的应力传感器一般采用射频收发电路进行数据传输，其收发电路依靠电池进行供电，需要定期更换电池。无线无源的应力传感器一般采用电感近场耦合原理传输数据，传感器结构简单不需要电池供电，特别适用恶劣环境中的应用。
发明内容
技术问题针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种电感双端固支梁无线无源应力传感器，可以采用无线无源方式进行环境应力的测量。
技术方案本发明的电感双端固支梁无线无源应力传感器包括衬底、绝缘介质层、电感结构、锚区结构、电感双端固支梁结构；所述绝缘介质层设置在所述衬底上表面；所述电感结构和所述锚区结构并排设置在所述绝缘介质层上表面；所述电感双端固支梁结构的两端与所述锚区结构上端形成固定连接；所述电感双端固支梁和所述电感结构构成LC谐振回路。
所述电感双端固支梁结构和所述电感结构为上下正对放置。
所述电感双端固支梁结构为平面螺旋结构。
所述电感结构为平面螺旋结构。
所述电感双端固支梁结构采用低刚性金属材料(如，金、铝)。
有益效果 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下
本发明的电感双端固支梁无线无源应力传感器的工作原理为：
测量原理：当环境应力变化时，电感双端固支梁将发生形变。电感双端固支梁发生形变后，由电感双端固支梁和电感结构构成的LC谐振回路的谐振频率将发生变化。
读出原理：基于平面电感之间的近场耦合原理，采用连接阻抗分析仪的读出线圈，可以无线、无源地读出电感双端固支梁和电感结构构成的LC谐振回路的谐振频率值。
有益效果：
(1)本发明的无线无源的LC谐振回路为片上集成结构，具有体积小、功耗低和可批量生产的优点；
(2)本发明利用电感双端固支梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的灵敏度高、结构简单且易于加工；
(3)本发明无需引线和电池供电，能在高温环境、密闭环境或旋转环境等恶劣环境进行应力测量；
附图说明
图1为本发明的剖面图。
图2为本发明的三维图。
图中有：衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感双端固支梁结构5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的电感双端固支梁无线无源应力传感器包括衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感双端固支梁结构5；所述绝缘介质层2设置在所述衬底1上表面；所述电感结构3和所述锚区结构4并排设置在所述绝缘介质层2上表面；所述电感双端固支梁结构5的两端与所述锚区结构4上端形成固定连接；所述电感双端固支梁5和所述电感结构3构成LC谐振回路。所述电感双端固支梁结构5和所述电感结构3为上下正对放置。所述电感双端固支梁结构5为平面螺旋结构。所述电感结构3为平面螺旋结构。所述电感双端固支梁结构5采用低刚性金属材料(如，金、铝)。
本发明的电感双端固支梁无线无源应力传感器的制备工艺如下：
a：在衬底表面淀积一层绝缘介质层；
b：在绝缘介质层表面淀积一层金属层并刻蚀，形成电感结构；
c：在绝缘介质层表面淀积一层介质层并刻蚀；形成锚区结构；
d：涂敷牺牲层并刻蚀；
e：淀积一层金属层并刻蚀，形成电感双端固支梁结构；
f：腐蚀牺牲层，释放结构；
本发明的电感双端固支梁无线无源应力传感器的工作过程为：
当环境应力为压应力时，电感双端固支梁5向下形变。电感双端固支梁5发生向下形变后，电感双端固支梁5和电感结构3之间的电容增大，因此由电感双端固支梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将减小；当环境应力为张应力时，电感双端固支梁5向上形变。电感双端固支梁5发生向上形变后，电感双端固支梁5和电感结构3之间的电容减小，因此由电感双端固支梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将增大；
使用方法：测量前，使用连接阻抗分析仪的读出线圈对本发明的传感器进行标定，建立其谐振频率与不同环境应力之间的关系。测量时，使用连接阻抗分析仪的读出线圈读出本发明传感器的谐振频率，与标定值进行对比，即可得到待测环境应力值。
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 (6)

1.一种电感双端固支梁无线无源应力传感器，其特征在于该应力传感器包括衬底(1)、绝缘介质层(2)、电感结构(3)、锚区结构(4)、电感双端固支梁结构(5)；所述绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感双端固支梁结构(5)的两端与所述锚区结构(4)上端形成固定连接；所述电感双端固支梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路。
2.根据权利要求1所述的电感双端固支梁无线无源应力传感器，其特征在于：所述电感双端固支梁结构(5)和所述电感结构(3)为上下正对放置。
3.根据权利要求1或2所述的电感双端固支梁无线无源应力传感器，其特征在于：所述电感双端固支梁结构(5)为平面螺旋结构。
4.根据权利要求1或2所述的电感双端固支梁无线无源应力传感器，其特征在于：所述电感结构(3)为平面螺旋结构。
5.根据权利要求1或2所述的电感双端固支梁无线无源应力传感器，其特征在于：所述电感双端固支梁结构(5)采用低刚性金属材料。
6.根据权利要求5所述的电感双端固支梁无线无源应力传感器，其特征在于：所述低刚性金属材料为金、铝。
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