CN111238544B - 应用于温/湿度环境检测的基于lc型谐振器的微波传感器 - Google Patents

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Abstract

一种应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，该传感器包括两个PCB子板，前述PCB子板之间设有GaAs基板和金属接地模块，在两个PCB子板上、面向外侧的区域分别设有信号输入模块和信号输出模块；所述GaAs基板上设置LC型谐振器。本发明的温/湿度微波传感器检测稳定性高，不易受其他外界因素的制约，能够保持在长期复杂环境中检测的稳定性；操作简单，可以即时地对温/湿度进行快速检测。

Description

应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器
技术领域
本发明涉及传感器设计制造领域，更具体地，是一种应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器。
背景技术
在科学技术日益发达的今天,人类对自身的生活环境及工作环境要求越来越高。温/湿度的检测与控制渗透于国防、电力、科研及人民生活等诸多领域，而温/湿度传感器作为重要的器件，在仓储、电力过程控制、环境监测、家用电器、气象等方面有着广泛的应用。调研资料显示，目前温/湿度传感器属于尖端传感器市场范畴，全球市场在2015年为1050亿美元，到2020年预计达到1417亿美元；而且全球传感器市场预计每年将以14％的增幅高速成长，预计2025年世界传感器产业的市场规模将达到2000亿美元。温/湿度传感器在提高环境监测、健康、安全、公共设施建设等领域的需求正在持续增加。
目前，传统的温/湿度传感器通常为电化学传感器、光学传感器和微波传感器。电化学传感器的检测稳定性差，易受使用其他外界因素的制约，且性能会随着使用时间的推移而下降；光学传感器操作复杂，需要一定时间来稳定测量环境，响应速度慢；而现有的微波传感器则存在尺寸大、品质因数低、以及灵敏度不高的问题，很大程度上限制了微波传感器的广泛应用，无法满足市场需求。
发明内容
本发明的目的是针对传统的温/湿度传感器所存在的问题，提出一种应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器。本发明的温/湿度微波传感器检测稳定性高，不易受其他外界因素的制约，能够保持在长期复杂环境中检测的稳定性；操作简单，可以即时地对温/湿度进行快速检测；检测用时少，微波传感器检测时长仅取决于矢量网络分析仪的扫频周期，因此相比于其他传感器在检测时间上有明显优势。在当今物联网平台高速发展的大前提下，微波传感器将会向着智能化、数据化的方向不断发展，在农业、工业、军工、家庭、汽车、医疗等领域作为智能化物联网系统的数据采集终端将发挥更为重要的作用。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，该传感器包括两个PCB子板，前述PCB子板之间设有GaAs基板和金属接地模块，在两个PCB子板上、面向外侧的区域分别设有信号输入模块和信号输出模块；
所述GaAs基板上设置LC型谐振器，该LC型谐振器包括两个测量pad点、非对称型差分电感结构和耦合型交指电容结构，其中；
所述的两个测量pad点分别作为LC谐振器的信号输入和输出端口，通过金属键合跳线与对应的信号输入模块、信号输出模块相连；
所述的非对称型差分电感结构包括差分电感线圈和连接相邻差分电感线圈的空气桥结构；
所述的耦合型交指电容结构位于非对称型差分电感结构的内部，包括偶数个交指电容单元，半数交指电容单元并接形成一组，与对应的内层差分电感线圈相连。
进一步地，所述的测量pad点为八边形结构，尺寸为75微米×75微米-150微米×150微米；优选100微米×100微米。
进一步地，所述的空气桥结构由下金属层和上金属层交叉悬空构成，悬空间距为1.5-2.0微米，优选1.8微米。
进一步地，交指电容单元是由下金属层、氮化硅介质层和上金属层构成的金属-绝缘体-金属的三明治结构，指宽12-18微米，指间距12-18微米，指长40-50微米；优选指宽15微米，指间距15微米，指长45微米。
进一步地，差分电感线圈包括下金属层、2微米氮化硅保护层以及上金属层；差分电感线圈采用5匝非对称型差分设计结构。
进一步地，金属键合跳线采用Au键合线，直径为45-55微米，长度为500-700微米；优选地，直径为50微米，长度为600微米。
进一步地，GaAs基板厚度为200-600微米，优选200微米。
进一步地，所述LC型谐振器尺寸为800微米×988微米。
进一步地，耦合型交指电容结构的表面涂覆纳米材料层。
进一步地，纳米材料层采用二氧化钒、氧化锌、二氧化锰或三氧化钼。
本发明的有益效果：
本发明通过非对称型差分电感结构和两组耦合型交指电容串联形成微波谐振器器件，在提高器件品质因数的同时，极大的减小了器件所占的芯片尺寸。
本发明通过微波理论和结构设计提升了LC型谐振器的品质因数，能够高效的实现基于微波器件的高灵敏度测试，解决了微波器件测量环境温/湿度时灵敏度不高的问题。
本发明通过微纳米加工工艺将纳米材料和LC谐振器的耦合型交指电容区域相结合，采用诸如二氧化钒、氧化锌、二氧化锰、三氧化钼等对温/湿度敏感的纳米材料，有效提高传感器对环境温/湿度检测的灵敏度。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明的结构示意图。
图2示出了本发明的实物图。
图中：1、测量pad点；2、空气桥结构；3、交指电容单元；4、差分电感线圈；5、金属接地模块；6、信号输入模块；7、信号输出模块；8、金属键合跳线；9、PCB子板；10、GaAs基板。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
如图1所示，一种应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，该传感器包括两个PCB子板9，前述PCB子板9之间设有GaAs基板10和金属接地模块5，在两个PCB子板9上、面向外侧的区域分别设有信号输入模块6和信号输出模块7；
所述GaAs基板10上设置LC型谐振器，该LC型谐振器包括两个测量pad点1、非对称型差分电感结构和耦合型交指电容结构，其中；
所述的两个测量pad点1分别作为LC谐振器的信号输入和输出端口，通过金属键合跳线8与对应的信号输入模块6、信号输出模块7相连；
所述的非对称型差分电感结构包括差分电感线圈4和连接相邻差分电感线圈4的空气桥结构2；
所述的耦合型交指电容结构位于非对称型差分电感结构的内部，包括偶数个交指电容单元3，半数交指电容单元3并接形成一组，与对应的内层差分电感线圈4相连。
本发明的温/湿度微波传感器具备以下优势：第一，检测稳定性高，不像电化学传感器那样易受使用其他外界因素的制约，且性能会随着使用时间的推移而下降，微波传感器不易受外界光照、氧化、震动等环境因素的影响，可以能够保持在长期复杂环境中检测的稳定性；第二，操作简单，光学传感器需要一定时间来稳定测量环境，而微波传感器无需前期稳定时间，可以即时地对温/湿度进行快速检测；第三，检测用时少，微波传感器检测时长仅取决于矢量网络分析仪的扫频周期，因此相比于其他传感器在检测时间上有明显优势。第四，尺寸小，品质因数高，能够广泛应用。在当今物联网平台高速发展的大前提下，微波传感器将会向着智能化、数据化的方向不断发展，在农业、工业、军工、家庭、汽车、医疗等领域作为智能化物联网系统的数据采集终端将发挥更为重要的作用。
本发明中，如图1所示，LC型谐振器设计结构时，主要由非对称型差分电感和两对耦合型交指电容串联组成本发明中提出的微波LC型谐振器，利用Advanced Design System软件完成器件的3D建模和电磁仿真，共应用5个空气桥结构来实现电感和电容的互联，空气桥结构可以等效由两个串联电感和一个并联电容组成，该等效电路可以为后续谐振器的结构分析提供更加精确的等效电路建模。微波LC型谐振器的工作频率满足下述公式，根据工作频率确定LC型谐振器中各器件设计参数；
Figure BDA0002409175510000051
其中，Ltotal和Ctotal分别表示非对称型差分电感和耦合型交指电容的总电感和总电容。
对于非对称型差分电感，基于电感的特性因数，对于一个给定电感值和设计区域的电感，理想的电感器件设计应该在工作频率下表现出具有优异的品质因数，同时保持紧凑的面积。
本发明提出的LC谐振器的设计通过应用具有差分结构的电感来提高品质因数，即在较低的工作频率下，输入阻抗可以表示为并联或者差分连接形式，并且它们的输入阻抗大致相同。但是，随着工作频率的增加，基板的寄生参数(如寄生电容C和寄生电阻R)也需要考虑在内。相比于单端口连接形式，差分结构的寄生参数在给定频率下具有更高的输入阻抗，因此，电感以差分形式驱动时，电感的品质因数Q更高且结构更加紧凑。
对于耦合型交指电容，本发明将电容结构的设计限制在非对称差分电感中间的开放区域内，在不额外增加谐振器器件面积的情况下，并且可以实现紧凑的谐振器结构。此外，本发明提出的电容可调节变化范围足够大，能够保证谐振器中心频率的高可控性，即通过改变耦合型电容单元的对数，即可得到不同电容值的电容，电容单元的对数越多，电容值越大，在不增加谐振器额外面积的情况下，可以实现电容值的变化，进而保证本发明提出的电容可以有效地控制后续谐振器的工作频率。
本发明的谐振器芯片面积仅为800微米×988微米(基于波导波长λ0的尺寸为0.015λ0×0.018λ0)；可以实现电容值的变化范围为0.034pF至0.318pF，中心频率的变化范围为1.64GHz到2.28GHz，传输零点频率的变化范围为4.31GHz到5.81GHz，中心频率和传输零点频率的可变范围可以保证谐振器设计的高可控性；对于具有微米级芯片尺寸的微波LC型谐振器，能够有效的应用到智能化物联网平台的数据采集终端；仅需要微量的敏感型纳米材料与之结合即可完成温/湿度传感响应的结果测量，极大的节省了纳米材料成本。
具体实施时：
在计算机上利用Advanced Design System软件，设计并仿真得到本发明的结构紧凑的微波LC型谐振器；
将LC型谐振器芯片与温/湿度敏感型纳米材料相结合，即在耦合型交指电容结构的表面涂覆纳米材料层，再将涂覆之后的LC型谐振器芯片经过金属键合跳线8、PCB子板9装配，可完成环境温/湿度的检测。
由于环境温/湿度变化时，敏感型纳米材料的介电常数也是变化的，且两者是成比例的，因此不同的环境温/湿度与结合了纳米材料的微波器件接触后，由于纳米材料整体介电常数的变化，对微波器件的电磁场特性的影响也不同，使得微波器件的参数特性也随之发生变化。本发明提出的微波LC型谐振器使用时，能够通过检测微波谐振器器件的中心频率，得到中心频率与温/湿度特性参数之间的线性关系，以此线性关系来计算环境温度和相对湿度；基于非对称型差分电感的高品质因数和电容值可控的耦合型交指电容，在3dB通带范围内散射参数S11能够下降至-32dB，能够实现高灵敏度的温/湿度传感响应检测；对测量得到的数据进行整理分析，能够得到较好的表征温/湿度的关键参数。例如，灵敏度、反应时间、检测限度值、以及线性度。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (12)

1.一种应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，该传感器包括两个PCB子板（9），前述PCB子板（9）之间设有GaAs基板（10）和金属接地模块（5），在两个PCB子板（9）上、面向外侧的区域分别设有信号输入模块（6）和信号输出模块（7）；
所述GaAs基板（10）上设置LC型谐振器，该LC型谐振器包括两个测量pad点（1）、非对称型差分电感结构和耦合型交指电容结构，其中；
所述的两个测量pad点（1）分别作为LC谐振器的信号输入和输出端口，通过金属键合跳线（8）与对应的信号输入模块（6）、信号输出模块（7）相连；
所述的非对称型差分电感结构包括差分电感线圈（4）和连接相邻差分电感线圈（4）的空气桥结构（2）；
所述的耦合型交指电容结构位于非对称型差分电感结构的内部，包括偶数个交指电容单元（3），半数交指电容单元（3）并接形成一组，与对应的内层差分电感线圈（4）相连；
交指电容单元（3）是由下金属层、氮化硅介质层和上金属层构成的金属-绝缘体-金属的三明治结构，指宽12-18微米，指间距12-18微米，指长40-50微米；
所述的耦合型交指电容结构的表面涂覆纳米材料层；所述的纳米材料层采用二氧化钒、氧化锌、二氧化锰或三氧化钼。
2.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，指宽15微米，指间距15微米，指长45微米。
3.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，所述的测量pad点（1）为八边形结构，尺寸为75微米×75微米-150微米×150微米。
4.根据权利要求3所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，所述的尺寸为100微米×100微米。
5.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，所述的空气桥结构（2）由下金属层和上金属层交叉悬空构成，悬空间距为1.5-2.0微米。
6.根据权利要求5所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，所述的悬空间距为1.8微米。
7.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，差分电感线圈（4）包括下金属层、2微米氮化硅保护层以及上金属层；差分电感线圈（4）采用5匝非对称型差分设计结构。
8.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，金属键合跳线（8）采用Au键合线，直径为45-55微米，长度为500-700微米。
9.根据权利要求8所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，所述的直径为50微米，长度为600微米。
10.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，GaAs基板（10）厚度为200-600微米。
11.根据权利要求10所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，GaAs基板（10）厚度为200微米。
12.根据权利要求1所述的应用于温/湿度环境检测的基于LC型谐振器的微波传感器，其特征在于，所述LC型谐振器尺寸为800微米×988微米。
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