CN107817058A - 电感悬臂梁无线无源温度传感器 - Google Patents

电感悬臂梁无线无源温度传感器 Download PDF

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黄庆安
邓文俊
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Abstract

本发明是一种电感悬臂梁无线无源温度传感器，其中，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；所述电感悬臂梁结构(5)自下而上由第一金属膜(51)和第二金属膜(52)组成；所述电感悬臂梁结构(5)的一端与所述锚区结构(4)形成固定连接，所述电感悬臂梁结构(5)的另一端悬空；所述电感悬臂梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路。本发明利用电感悬臂梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，无需温度敏感介质，重复性和可靠性更好且加工更简单；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温度测量。

Description

电感悬臂梁无线无源温度传感器
技术领域
本发明涉及一种电感悬臂梁无线无源温度传感器技术，属于微电子技术领域。
背景技术
由于温度参数和人们的生产和生活是紧密相关的，因此人们很早就开始了对于温度的测量。凡是有温度效应的物理或化学过程都可以用作温度传感器的测温原理。纵观温度传感器的发展历程，温度传感器大致是从传统的分立式温度传感器朝着智能化的集成式温度传感器方向发展，从有线的温度传感器向着无线的温度传感器方向发展。
传统的温度传感器有着各自的优点，不过其体积大、一致性差等问题还是制约了其在便携式设备和微型电子产品中的应用。而半导体集成温度传感器则具有体积小、热容小和响应快等传统分立温度传感器不具备的优势。由于半导体加工技术的进步，许多传统的分立式温度计的测温原理都可以移植到半导体集成温度传感器上。常见的半导体集成温度传感器有铂电阻式、热敏电阻式、热电偶式、PN结式等等。随着MEMS(微机电系统)技术的出现，又发展出了压阻式、谐振式、多晶硅微桥式和冷热臂式等等MEMS温度传感器。
在对一些恶劣环境(如高温环境、密闭环境或旋转环境等)进行温度测量时，有线的温度传感器将不再适用。恶劣环境中的温度测量大都采用无线的工作方式。无线温度传感器又分为有源和无源两种。无线有源的温度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。无线无源的温度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悬臂梁无线无源温度传感器，可以采用无线无源方式进行环境温度的测量。
技术方案 本发明的的电感悬臂梁无线无源温度传感器包括衬底、绝缘介质层、电感结构、锚区结构和电感悬臂梁结构；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；所述电感悬臂梁结构自下而上由第一金属膜和第二金属膜组成；所述电感悬臂梁结构的一端与所述锚区结构形成固定连接，所述电感悬臂梁结构的另一端悬空；所述电感悬臂梁和所述电感结构构成LC谐振回路。
所述第一金属膜和第二金属膜是两种热膨胀系数相差较大的金属。
所述第一金属膜采用低热膨胀系数金属材料(如，铬、钼)。
所述第二金属膜采用高热膨胀系数金属材料(如，铝、铜)。
所述电感悬臂梁结构为平面螺旋结构。
所述电感结构为平面螺旋结构。
所述电感悬臂梁结构和所述电感结构为上下正对放置。
本发明的电感悬臂梁无线无源温度传感器的工作原理为：
感温原理：因为组成电感悬臂梁的第一金属膜和第二金属膜的热膨胀系数不同，当环境温度发生变化时，第一金属膜和第二金属膜的体积膨胀量将会不相等。第一金属膜和第二金属膜的体积膨胀量不相等会导致第一金属膜和第二金属膜之间产生热应力。第一金属膜和第二金属膜之间产生的热应力最终会使电感悬臂梁发生偏转。电感悬臂梁发生偏转后，由电感悬臂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、无源地读出电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率值。
有益效果 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：(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、响应快和可批量生产的优点；
(2)本发明利用电感悬臂梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，无需温度敏感介质，重复性和可靠性更好且加工更简单；
(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温度测量；
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、电感悬臂梁结构5、第一金属膜51、第二金属膜52。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的电感悬臂梁无线无源温度传感器，该温度传感器包括衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4和电感悬臂梁结构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；所述电感悬臂梁结构5自下而上由第一金属膜51和第二金属膜52组成；所述电感悬臂梁结构5的一端与所述锚区结构4形成固定连接，所述电感悬臂梁结构5的另一端悬空；所述电感悬臂梁5和所述电感结构3构成LC谐振回路。所述第一金属膜51和第二金属膜52是两种热膨胀系数相差较大的金属。所述第一金属膜51采用低热膨胀系数金属材料(如，铬、钼)。所述第二金属膜52采用高热膨胀系数金属材料(如，铝、铜)。所述电感悬臂梁结构5为平面螺旋结构。所述电感结构3为平面螺旋结构。所述电感悬臂梁结构5和所述电感结构3为上下正对放置。
本发明的电感悬臂梁无线无源温度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：淀积两层金属层并刻蚀，形成电感悬臂梁结构；
f：腐蚀牺牲层，释放结构；
本发明的电感悬臂梁无线无源温度传感器的工作原理为：
感温原理：因为组成电感悬臂梁5的金属膜51和金属膜52的热膨胀系数不同，当环境温度发生变化时，金属膜51和金属膜52的体积膨胀量将会不相等。金属膜51和金属膜52的体积膨胀量不相等会导致金属膜51和金属膜52之间产生热应力。金属膜51和金属膜52之间产生的热应力最终会使电感悬臂梁5发生偏转。电感悬臂梁5发生偏转后，由电感悬臂梁5和电感结构3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、无源地读出电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率值。
本发明的电感悬臂梁无线无源温度传感器的工作过程为：
第一金属膜51的热膨胀系数小于于第二金属膜52的热膨胀系数。当环境温度升高时，由于第一金属膜51的热膨胀系数小于于第二金属膜52，其产生的热应力将导致电感悬臂梁结构向下偏转，从而导致第一金属膜51与电感结构3之间的电容增大，因此由电感悬臂梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将减小；当环境温度降低时，由于第一金属膜51的热膨胀系数小于第二金属膜52，其产生的热应力将导致电感悬臂梁结构向上偏转，从而导致第一金属膜51与电感结构3之间的电容减小，因此由电感悬臂梁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温度之间的关系。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，即可得到待测环境温度值。
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 (9)

1.一种电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：该温度传感器包括衬底(1)、绝缘介质层(2)、电感结构(3)、锚区结构(4)和电感悬臂梁结构(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；所述电感悬臂梁结构(5)自下而上由第一金属膜(51)和第二金属膜(52)组成；所述电感悬臂梁结构(5)的一端与所述锚区结构(4)形成固定连接，所述电感悬臂梁结构(5)的另一端悬空；所述电感悬臂梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路。
2.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述第一金属膜(51)和第二金属膜(52)是两种热膨胀系数相差较大的金属。
3.根据权利要求2所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述第一金属膜(51)采用低热膨胀系数金属材料。
4.根据权利要求3所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述低热膨胀系数金属材料为铬、钼。
5.根据权利要求2所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述第二金属膜(52)采用高热膨胀系数金属材料。
6.根据权利要求5所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述高热膨胀系数金属材料为铝、铜。
7.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述电感悬臂梁结构(5)为平面螺旋结构。
8.根据权利要求1所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述电感结构(3)为平面螺旋结构。
9.根据权利要求1、7或8所述的电感悬臂梁无线无源温度传感器，其特征在于：所述电感悬臂梁结构(5)和所述电感结构(3)为上下正对放置。
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