CN112461887B - 一种基于mems结构的湿度传感器 - Google Patents

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    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity

Abstract

本发明公开了基于MEMS结构的湿度传感器，包括终端式微波功率传感器和MEMS悬臂梁；终端式微波功率传感器包括共面波导信号线、共面波导地线、两个并联的匹配电阻和热电堆；MEMS悬臂梁包括三个等距离分布的弹性系数不同的MEMS悬臂梁，每个MEMS悬臂梁均由一层湿度敏感材料和一层金属材料组成，其中湿度敏感材料在金属材料下方；终端式微波功率传感器放置在基板上方，在共面波导信号线和共面波导地线的终端放置两个并联的匹配电阻，匹配电阻附近放置热电堆，等距离分布的三个MEMS悬臂梁锚区设置在共面波导地线上，自由端悬空在共面波导信号线上方。具有设计灵活、结构简单、线性度好、灵敏度高、体积小、工艺兼容等优势。

Description

一种基于MEMS结构的湿度传感器
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种基于MEMS结构的湿度传感器。
背景技术
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。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。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
针对上述应用前景，本发明提供了一种基于MEMS结构的湿度传感器， 具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种基于MEMS结构的湿度传感器，所述湿度传感器包括：
终端式微波功率传感器和多个MEMS悬臂梁；
其中，所述终端式微波功率传感器包括基板、设置在所述基板上的热电堆、以及与所述热电堆间隔设置的共面波导；
所述共面波导包括共面波导信号线，设置在所述共面波导信号线两侧的第一共面波导地线、第二共面波导地线；
第一匹配电阻串接在所述共面波导信号线与所述第一共面波导地线之间；
第二匹配电阻串接在所述共面波导信号线与所述第二共面波导地线之间；
所述第一匹配电阻和所述第二匹配电阻串接于所述共面波导信号线临近所述热电堆的端部；
所述多个MEMS悬臂梁的锚区设置同一根共面波导地线上；
所述多个MEMS悬臂梁的自由端悬空于所述共面波导信号线上方；
所述多个MEMS悬臂梁包括湿度敏感材料；
所述多个MEMS悬臂梁具有不同的弹性系数。
进一步地，所述MEMS悬臂梁的数量为3个。
进一步地，所述MEMS悬臂梁包括湿度敏感材料和非湿度敏感材料的双层结构。
进一步地，所述非湿度敏感材料为金属材料。
进一步地，所述多个MEMS悬臂梁的锚区等间距设置在同一根共面波导地线上。
进一步地，所述湿度敏感材料包括聚酰亚胺或者氧化石墨烯。
进一步地，所述第一匹配电阻和所述第二匹配电阻的阻值相等。
进一步地，所述多个MEMS悬臂梁通过改变与锚区的连接结构以调整弹性系数。
进一步地，所述MEMS悬臂梁以折叠弹簧结构与锚区相连接。
进一步地，通过调整所述MEMS悬臂梁的个数及弹性系数来调整所述湿度传感器的测量范围。
本发明利用湿度敏感材料在环境湿度变化下导致的MEMS悬臂梁弯曲形变改变梁与共面波导信号线之间电容，进而改变共面波导反射损耗，使匹配电阻附近发生温度变化，利用热电堆实现热电势输出实现湿度变化检测。同时，可以通过多个不同弹性系数的MEMS悬臂梁对应不同的湿度检测范围和灵敏度，使得器件设计非常灵活。该基于MEMS结构的湿度传感器提高了器件的灵敏度和线性度，电压输出易于测量，具有结构简单、工艺兼容、体积小、功耗低、高重复性、低生产成本等优点，很好地满足了集成电路对器件的基本要求。
附图说明
图1是基于MEMS结构的湿度传感器俯视图。
其中有：共面波导信号线1a1，第一共面波导地线1a2、第二共面波导地线1a3，第一匹配电阻1b1、第二匹配电阻1b2，热电堆1c，第一MEMS悬臂梁2a、第二MEMS悬臂梁2b和第三MEMS悬臂梁2c，基板3。
图2是基于MEMS结构的湿度传感器A-A’剖面图。
其中有：共面波导信号线1a1，第一共面波导地线1a2、第二共面波导地线1a3，第一MEMS悬臂梁2a，第一湿度敏感材料2a1，第一金属材料2a2，基板3。
图3是MEMS结构的湿度传感器B-B’剖面图。
其中有：共面波导信号线1a1，第一共面波导地线1a2、第二共面波导地线1a3，第二MEMS悬臂梁2b，第二湿度敏感材料2b1，第二金属材料2b2，基板3。
图4是MEMS结构的湿度传感器C-C’剖面图。
其中有：共面波导信号线1a1，第一共面波导地线1a2、第二共面波导地线1a3，第三MEMS悬臂梁2c，第三湿度敏感材料2c1，第三金属材料2c2，基板3。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
参见图1、图2、图3、图4，该湿度传感器包括终端式微波功率传感器和MEMS悬臂梁；终端式微波功率传感器包括基板3、设置在所述基板3上的热电堆1c、以及与所述热电堆1c间隔设置的共面波导；如图1所示，例如将热电堆1c设置在基板3的上半部分，而将共面波导间隔热电堆设置在基板3的下半部分。共面波导包括共面波导信号线1a1，设置在共面波导信号线1a1两侧的第一共面波导地线1a2、第二共面波导地线1a3；第一匹配电阻1b1串接在所述共面波导信号线1a1与所述第一共面波导地线1a2之间；第二匹配电阻1b2串接在所述共面波导信号线1a1与所述第二共面波导地线1a3之间；为了及时将热量传递给热电堆1c，第一匹配电阻1b1和第二匹配电阻1b2串接于共面波导信号线1a1临近热电堆1c的端部。在同一根共面波导地线上设置多个MEMS悬臂梁的锚区，本实施例中比如设置在第二共面波导信号线1a3上；而将MEMS悬臂梁的自由端悬空在共面波导信号线1a1上方。在本实施例中，例如选择设置3个MEMS悬臂梁，三个MEMS悬臂梁具有不同的弹性系数。
在本实施例中，三个MEMS悬臂梁包括第一MEMS悬臂梁2a、第二MEMS悬臂梁2b、第三MEMS悬臂梁2c，三个MEMS悬臂梁的锚区例如等距离的分布在第二共面波导信号线1a3上。
改变MEMS悬臂梁弹性系数的方法有很多种，比如改变悬臂梁梁体的质量，本实施例通过在悬臂梁与锚区的连接部分形成弹簧梁连接结构，达到改变悬臂梁弹性系数的目的。
参见图2，第一悬臂梁2a具有双层结构，具有第一湿度敏感材料层2a1、第一非湿度敏感材料层2a2，其中第一湿度敏感材料层2a1附着在第一非湿度敏感材料层2a2的下方。
参见图3，第二悬臂梁2b具有双层结构，具有第二湿度敏感材料层2b1、第二非湿度敏感材料层2b2，其中第二湿度敏感材料层2b1附着在第二非湿度敏感材料层2b2的下方。第二悬臂梁2b以折叠弹簧结构与锚区相连接。
参见图4，第三悬臂梁2c具有双层结构，具有第三湿度敏感材料层2c1、第三非湿度敏感材料层2c2，其中第三湿度敏感材料层2c1附着在第三非湿度敏感材料层2c2的下方。第三悬臂梁2c以折叠弹簧结构与锚区相连接。为了使第三悬臂梁的弹性系数不同于第二悬臂梁，第三悬臂梁2c的折叠弹簧结构的折叠次数不同于第二悬臂梁2b。
本实施例中的湿度敏感材料例如是聚酰亚胺或者氧化石墨烯，非湿度敏感材料例如是金属材料。湿度敏感材料能够吸收环境中的水汽分子而膨胀，非湿度敏感材料不吸收水汽分子。如此，在湿度发生变化时，湿度敏感材料吸湿膨胀，从而导致MEMS悬臂梁向上弯曲变形，不同弹性系数的MEMS悬臂梁向上产生不同程度弯曲形变，使三个MEMS悬臂梁与共面波导信号线1a1间电容不同程度的减小，从而使得共面波导反射损耗变小，导致第一匹配电阻1b1和第二匹配电阻1b2附近温度升高，使热电堆1c输出的热电势增大，从而实现湿度变化的测量。
可选地，本实施例中第一匹配电阻1b1和第二匹配电阻1b2设置阻值相等。
针对不同的测量需求，本实施例可以通过调整MEMS悬臂梁的个数以及弹性系数来调整湿度传感器的测量范围。
本发明提出的基于MEMS结构的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、共面波导地线和信号线上放置有多个弹性系数不同的悬臂梁，对应不同的湿度检测范围，具有良好的线性度和灵敏度；
二、该湿度传感器的悬臂梁弹性系数通过悬臂梁的弹簧结构控制，结构简单，设计灵活；
三、该湿度传感器为热电势输出，相较于传统湿度传感器的电容或电阻变化量的输出更易于测量；
四、该湿度传感器的制作与Si或GaAs工艺兼容。
即采用该结构可以通过设计MEMS悬臂梁的数量和弹性系数，实现对湿度高线性度、高灵敏度的测量，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MEMS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。
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 (10)

1.一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括：
终端式微波功率传感器和多个MEMS悬臂梁；
其中，所述终端式微波功率传感器包括基板、设置在所述基板上的热电堆、以及与所述热电堆间隔设置的共面波导；
所述共面波导包括共面波导信号线，设置在所述共面波导信号线两侧的第一共面波导地线、第二共面波导地线；
第一匹配电阻串接在所述共面波导信号线与所述第一共面波导地线之间；
第二匹配电阻串接在所述共面波导信号线与所述第二共面波导地线之间；
所述第一匹配电阻和所述第二匹配电阻串接于所述共面波导信号线临近所述热电堆的端部；
所述多个MEMS悬臂梁的锚区设置同一根共面波导地线上；
所述多个MEMS悬臂梁的自由端悬空于所述共面波导信号线上方；
所述多个MEMS悬臂梁包括湿度敏感材料和非湿度敏感材料；
所述多个MEMS悬臂梁具有不同的弹性系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述MEMS悬臂梁的数量为3个。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述MEMS悬臂梁包括湿度敏感材料和非湿度敏感材料的双层结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述非湿度敏感材料为金属材料。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述多个MEMS悬臂梁的锚区等间距设置在同一根共面波导地线上。
6.根据权利要求1或3所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感材料包括聚酰亚胺或者氧化石墨烯。
7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述第一匹配电阻和所述第二匹配电阻的阻值相等。
8.根据权利要求1所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述多个MEMS悬臂梁通过改变与锚区的连接结构以调整弹性系数。
9.根据权利要求1或8所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，所述MEMS悬臂梁以折叠弹簧结构与锚区相连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于MEMS结构的湿度传感器，其特征在于，通过调整所述MEMS悬臂梁的个数及弹性系数来调整所述湿度传感器的测量范围。
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