CN112034019B - 基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，该湿度传感器包括基板(1)，电感(2)，第一叉指电容(3)、第二叉指电容(4)，绝缘层(5)，吸湿材料层(6)；所述电感(2)位于基板(1)的上表面，第一叉指电容(3)、第二叉指电容(4)位于绝缘层(5)的上表面，第一叉指电容(3)、第二叉指电容(4)与电感(2)相连；吸湿材料层(6)位于绝缘层(5)下方，吸湿材料层和绝缘层组成的湿敏悬臂梁一端与基板相连。该湿度传感器结构新颖，且能够进行无源无线检测，同时整个传感器通过微电子加工工艺，可使结构尺寸的精度达到较高水平，使得该湿度传感器具有灵敏度高、寿命长、功耗低、体积小、工艺兼容等优势。

Description

基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器
技术领域
本发明是一种基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，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、压阻式等。新型材料与湿度传感器的结合，是提升器件性能的重要手段，例如基于纳米材料的新型湿度传感器已经成为近年来的研究热点，新型敏感层具有常规材料所不具备的超常物理性质，例如氧化石墨烯薄膜与MEMS工艺兼容且具有优异的感湿特性，因此常被用做湿度传感器的敏感材料。与传统湿度传感器相比，结合了新材料的新型微湿度传感器不仅具有体积小、易集成、功耗低、成本低等优势，同时无源无线传感器也是信息化社会实现万物互联必不可缺的关键要素。在这样的发展前景下，开展无源无线湿度传感器产业化方面的工作是非常有意义的。
发明内容
技术问题：针对上述需求，本发明提供了一种基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，采用该结构可以实现高灵敏度、无源无线检测和低功耗，并且能与MEMS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，从而为实现基于悬臂梁结构的无源无线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。
技术方案：本发明的一种基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器包括基板，电感，第一叉指电容、第二叉指电容，绝缘层，吸湿材料层；所述电感位于基板的上表面，第一叉指电容、第二叉指电容位于绝缘层的上表面，第一叉指电容、第二叉指电容与电感相连；吸湿材料层位于绝缘层下方，吸湿材料层和绝缘层组成的湿敏悬臂梁一端与基板相连；由第一叉指电容、第二叉指电容和电感构成的LC谐振回路。
其中，
所述基板分为硬质基板和柔性基板两类，硬质基板采用的材料为硅、氮化硅或碳化硅，厚度为300-500μm。柔性基板采用的材料为涤纶树脂(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为100-200μm。
所述绝缘层采用的材料为氧化硅、氧化钛或氧化铝，厚度为200-300nm。
所述吸湿材料层采用的材料为氧化石墨烯，厚度为20-50μm。
所述电感为位于基板上表面的平面矩形螺旋状线圈。
所述第一叉指电容、第二叉指电容为位于绝缘层上表面的平面叉指状，第一叉指电容、第二叉指电容的叉指相互交叉排列。
当外部环境湿度发生变化时，吸湿材料层因空气中的湿度变化而发生膨胀或收缩，绝缘层对湿度变化不敏感，吸湿材料层与绝缘层之间发生应力失配，导致湿敏悬臂梁发生卷曲或舒展，这会使得位于绝缘层上表面的第一叉指电容与第二叉指电容之间的电容值发生变化，该电容值变化通过由电感和第一叉指电容、第二叉指电容构成的LC谐振回路的谐振频率变化实现对湿度的无源无线检测。
有益效果：该湿度传感器利用具有良好感湿特性的吸湿材料作为湿度敏感层，通过湿度变化时吸湿材料体积的变化，引起湿敏悬臂梁的应变，改变湿敏悬臂梁上叉指电容的电容值，该电容值变化通过由电感和叉指电容构成的LC谐振回路的谐振频率变化实现对湿度的无源无线检测。
本发明中的基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，突破了传统检测原理的思维限制，寻找到了基于湿敏悬臂梁和LC谐振电路无源无线检测的实现方法，灵敏度和分辨率都有较大的提升。同时，所述器件还具有低功耗、长寿命、易集成、低测量误差、小体积、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器结构示意图。
图2是基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器A-A′剖面图。
其中有：基板1，电感2，第一叉指电容3、第二叉指电容4，绝缘层5，吸湿材料层6。
具体实施方式
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器包括基板1，电感2，第一叉指电容3、第二叉指电容4，绝缘层5，吸湿材料层6。所述电感位于基板的上表面，叉指电容位于绝缘层的上表面，叉指电容与电感相连，吸湿材料层位于绝缘层下方，吸湿材料层和绝缘层组成的湿敏悬臂梁一端与基板相连。
当外部环境湿度发生变化时，吸湿材料层因空气中的湿度变化而产生膨胀或收缩，而与吸湿材料层贴附在一起的绝缘层对湿度变化不敏感，吸湿材料层和绝缘层之间发生应力失配，导致湿敏悬臂梁发生卷曲或舒展，这会使得位于绝缘层上表面的叉指电容的电容值发生变化，该电容值变化通过由电感和叉指电容构成的LC谐振回路的谐振频率变化实现对湿度的无源无线检测。该湿度传感器结构新颖，且能够进行无源无线检测，同时整个传感器通过微电子加工工艺，可使结构尺寸的精度达到较高水平，使得该湿度传感器具有灵敏度高、寿命长、功耗低、体积小、工艺兼容等优势。
该湿度传感器将外部环境湿度变化通过吸湿材料层转化为叉指电容的电容值变化，电容值变化引起LC谐振回路的谐振频率变化，因此可实现对输出信号的无源无线检测，这使器件在对湿度的测量过程中具有功耗低、灵敏度高、测量误差小、寿命长、测量范围大的优势。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1、图2，本发明提供了一种基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，该湿度传感器包括基板1，电感2，第一叉指电容3、第二叉指电容4，绝缘层5，吸湿材料层6。所述电感2位于基板1的上表面，第一叉指电容3、第二叉指电容4位于绝缘层5 的上表面，第一叉指电容3、第二叉指电容4与电感2相连，吸湿材料层6位于绝缘层 5下方，吸湿材料层6和绝缘层5组成的湿敏悬臂梁一端与基板1相连。
该湿度传感器的使用方法是：当外部环境湿度发生变化时，吸湿材料层6因空气中的湿度变化而发生膨胀或收缩，绝缘层5对湿度变化不敏感，吸湿材料层6和绝缘层5 之间发生应力失配，导致湿敏悬臂梁发生卷曲或舒展，这会使得位于绝缘层5上表面的第一叉指电容3与第二叉指电容4之间的电容值发生变化，该电容值变化通过由电感2 和第一叉指电容3、第二叉指电容4构成的LC谐振回路的谐振频率变化实现对湿度的无源无线检测。
该湿度传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，可使器件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；该湿度传感器巧妙的将湿度的变化通过吸湿材料层转化为叉指电容的电容值变化，同时利用LC谐振回路将电容值变化转化为谐振频率变化输出，进而实现对湿度的无源无线检测。
本发明中基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器不同于其它的MEMS湿度传感器，该湿度传感器具有以下主要特点：一、该湿度传感器将湿度的变化通过吸湿材料层转化为叉指电容的电容值变化，实现了信号输入过程的湿-电转化；二、利用叉指电容和电感组成LC谐振回路，将叉指电容的电容值变化转化为谐振频率变化输出，因此可以实现对湿度的无源无线检测；三、该湿度传感器结构简单、体积小，且检测机理简单可靠，可以满足高可靠、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传统MEMS制造技术兼容。
区分是否为该结构的标准如下：
(a)采用吸湿材料层和绝缘层构成湿敏悬臂梁，并将叉指电容制作于绝缘层上表面，实现将湿度变化转化为叉指电容的电容值变化，
(b)采用叉指电容和电感构成LC谐振回路，将叉指电容的电容值变化转化为谐振频率变化进行无源无线输出。
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 (6)

1.一种基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括基板（1）、电感（2）、第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）、绝缘层（5）、吸湿材料层（6）；所述电感（2）位于基板（1）的上表面，第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）位于绝缘层（5）的上表面，第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）与电感（2）相连；吸湿材料层（6）位于绝缘层（5）下方，吸湿材料层（6）和绝缘层（5）组成的湿敏悬臂梁一端与基板（1）相连；由第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）和电感（2）构成的LC谐振回路；
所述第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）为位于绝缘层（5）上表面的平面叉指状，第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）的叉指相互交叉排列；
当外部环境湿度发生变化时，吸湿材料层（6）因空气中的湿度变化而发生膨胀或收缩，绝缘层（5）对湿度变化不敏感，吸湿材料层（6）与绝缘层（5）之间发生应力失配，导致湿敏悬臂梁发生卷曲或舒展，这会使得位于绝缘层（5）上表面的第一叉指电容（3）与第二叉指电容（4）之间的电容值发生变化。
2.根据权利要求1所述基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，其特征在于：所述基板（1）分为硬质基板和柔性基板两类，硬质基板采用的材料为硅、氮化硅或碳化硅，厚度为300-500μm；柔性基板采用的材料为涤纶树脂PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS，厚度为100-200μm。
3.根据权利要求1所述基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，其特征在于：所述绝缘层（5）采用的材料为氧化硅、氧化钛或氧化铝，厚度为200-300nm。
4.根据权利要求1所述基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，其特征在于：所述吸湿材料层（6）采用的材料为氧化石墨烯，厚度为20-50μm。
5.根据权利要求1所述基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器，其特征在于：所述电感（2）为位于基板（1）上表面的平面矩形螺旋状线圈。
6.一种如权利要求1所述基于悬臂梁结构的无源无线湿度传感器的使用方法，其特征在于：当外部环境湿度发生变化时，吸湿材料层（6）因空气中的湿度变化而发生膨胀或收缩，绝缘层（5）对湿度变化不敏感，吸湿材料层（6）与绝缘层（5）之间发生应力失配，导致湿敏悬臂梁发生卷曲或舒展，这会使得位于绝缘层（5）上表面的第一叉指电容（3）与第二叉指电容（4）之间的电容值发生变化，该电容值变化通过由电感（2）和第一叉指电容（3）、第二叉指电容（4）构成的LC谐振回路的谐振频率变化实现对湿度的无源无线检测。
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