CN107884457B - 一种基于超材料结构的湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料结构的湿度传感器，包括基板、输入微带信号线、输出微带信号线、叉指结构、开路短截线电感、微带线地线、聚酰亚胺层，该湿度传感器是在基板上放置由叉指结构和开路短截线电感构成的超材料结构，当空气中的湿度发生变化时，叉指结构上涂覆的湿度敏感材料聚酰亚胺层能够吸收空气中的水汽分子，其介电常数发生变化，导致由叉指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，通过检测超材料结构的相移，实现湿度的测量，本发明灵敏度高，测量误差小，同时还具有结构简单、成本低、统计小、功耗低、工艺兼容等优势。

Description

一种基于超材料结构的湿度传感器
技术领域
本发明是一种基于超材料结构的湿度传感器，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。超材料作为近年来发展出的一种新的材料设计理念，其具有天然材料所不具备的超常物理性质，特别是其通过电感和电容的组合，可以实现在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统，能够广泛用作微波电路的移相目的。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。
发明内容
为了更好的提升传感器的品质，本发明提供了一种基于超材料结构的湿度传感器，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材料，通过湿度变化时其介电常数的变化，改变叉指电容的电容值，导致由叉指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，从而实现湿度的测量。采用该结构可以实现高灵敏度、相移输出和低功耗，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湿度传感器在工业自控领域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湿度传感器，该湿度传感器包括基板、输入微带信号线、输出微带信号线、输入微带信号线和输出微带信号线之间的叉指结构、开路短截线电感、微带线地线以及湿度敏感材料聚酰亚胺层。该湿度传感器是在基板上放置由叉指结构和开路短截线电感构成的超材料结构，具体结构为微带线地线位于基板的下表面，其余部分放置于基板的上表面，输入微带信号线与输出微带信号线平行放置在基板上表面两侧，开路短截线电感分别与输入微带信号线和输出微带信号线连接，叉指结构分为两组，两组叉指结构相互平行、相互交错，叉指结构悬空的放置于输入微带信号线和输出微带信号线之间，其中一组叉指结构与输入微带信号线连接，另一组叉指结构与输出微带信号线连接，在叉指结构上涂覆一层湿度敏感材料聚酰亚胺层。当空气中的湿度发生变化时，叉指结构上涂覆的湿度敏感材料聚酰亚胺层能够吸收空气中的水汽分子，其介电常数发生变化，从而使得叉指结构构成的叉指电容发生变化，导致由叉指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，通过检测超材料结构的相移，实现湿度的测量。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是相对湿度为0％RH时的基准叉指电容量，ΔC是湿度变化时叉指电容变化量。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种基于超材料结构的湿度传感器，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；该湿度传感器选用的湿度敏感材料聚酰亚胺对叉指电容的改变非常敏感，灵敏度高，测量误差小；本发明突破了传统检测原理的思维限制，寻找到了基于相移检测的实现方法，灵敏度和体积都有较大的提升。同时，超材料结构的湿度传感器还具有结构简单、成本低、功耗低、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是基于超材料结构的湿度传感器的结构示意图。
其中有：基板1、输入微带信号线2、输出微带信号线3、输入微带信号线2和输出微带信号线3之间的叉指结构4、5、开路短截线电感6、7、微带线地线8、湿度敏感材料聚酰亚胺层9。
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超材料结构的湿度传感器，该湿度传感器包括基板1、输入微带信号线2、输出微带信号线3、输入微带信号线2和输出微带信号线3之间的叉指结构4、5、开路短截线电感6、7、微带线地线8、湿度敏感材料聚酰亚胺层(polymide)9。微带线地线8位于基板1的下表面，其余部分放置于基板1的上表面，输入微带信号线2与输出微带信号线3平行放置，开路短截线电感6、7分别与输入微带信号线2和输出微带信号线3连接，叉指结构4、5分为两组，两组叉指结构4、5相互平行、相互交错，叉指结构4、5悬空的放置于输入微带信号线2与输出微带信号线3之间，其中一组叉指结构4与输入微带信号线2连接，另一组叉指结构5与输出微带信号线3连接，在叉指结构上4、5涂覆一层湿度敏感材料聚酰亚胺层(polymide)9。
本发明所述的一种基于超材料结构的湿度传感器的使用方法是：当空气中的湿度发生变化时，叉指结构4、5上涂覆的湿度敏感材料聚酰亚胺层9能够吸收空气中的水汽分子，其介电常数发生变化，从而使得叉指结构4、5构成的叉指电容发生变化，导致由叉指电容和开路短截线电感6、7构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，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，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；该湿度传感器选用的湿度敏感材料聚酰亚胺对叉指电容的改变非常敏感，灵敏度高，测量误差小。
本发明中基于超材料结构的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、超材料结构中叉指电容上的湿度敏感材料聚酰亚胺对叉指电容的改变非常敏感，使得超材料结构的相移输出变化较大，因此可以提高灵敏度；二、该湿度传感器为相移输出，相较于传统湿度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、该湿度传感器结构简单、体积小、且相移检测消耗的功率低，可以实现高可靠、微型化和低功耗的应用需求；四、该湿度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)采用由叉指电容和开路短截线电感构成的超材料结构，
(b)采用聚酰亚胺作为湿度敏感材料来感应湿度变化。
满足以上两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 (2)

1.一种基于超材料结构的湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括基板（1）、输入微带信号线（2）、输出微带信号线（3）、输入微带信号线（2）和输出微带信号线（3）之间的叉指结构（4）（5）、两个开路短截线电感（6）（7）、微带线地线（8）、聚酰亚胺层（9），微带线地线（8）位于基板（1）的下表面，其余部分放置于基板（1）的上表面，输入微带信号线（2）与输出微带信号线（3）平行放置，其中一个开路短截线电感（6）与输入微带信号线（2）连接，另一个开路短截线电感（7）与输出微带信号线（3）连接，叉指结构（4）（5）分为两组，两组叉指结构（4）（5）相互平行、相互交错，叉指结构（4）（5）悬空的放置于输入微带信号线（2）与输出微带信号线（3）之间，其中一组叉指结构（4）与输入微带信号线（2）连接，另一组叉指结构（5）与输出微带信号线（3）连接，在叉指结构上（4）（5）涂覆一层聚酰亚胺层（9）。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料结构的湿度传感器的使用方法是：当空气中的湿度发生变化时，叉指结构（4）（5）上涂覆的湿度敏感材料聚酰亚胺层（9）能够吸收空气中的水汽分子，其介电常数发生变化，从而使得叉指结构构成的叉指电容发生变化，导致由叉指电容和开路短截线电感（6）（7）构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，实现湿度的测量。
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