[發明專利]一種無源無線溫度氣壓集成傳感器

有效

• 申請號: 201210499018.1
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103017823A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 黃見秋;黃慶安;張聰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于微機電領域，涉及一種由無源元件構成的無線溫度、氣壓集成傳感器。

背景技術

對于無線傳感器，傳感器信號遙測的方式包括有源遙測和無源遙測，有源遙測是指傳感系統中帶有電源，這種遙測方式可以雙向長距離傳輸傳感器信號，但是尺寸大、電池需要更換；無源遙測是指傳感系統中沒有電源，利用電感耦合或射頻（RF）反射調制實現信號的獲取，這種遙測方式信號傳輸距離短，但是體積小、不需要更換電池，理論上可以無限期工作，特別適合于人體內部、食品容器、密封的藥品等密封環境或機械旋轉以及惡劣環境中應用。

在無源遙測中，有一類應用需要同時對多個環境參量進行測量。2005年，AndrewD.DwHennis（人名）等提出了一種帶電路的無源無線溫濕度、氣壓傳感器結構，傳感器中除了電感、電容等無源元件外，還包括晶體管等有源元件。這種無源無線傳感器可以測量多種環境參數，但是系統體積大、功耗大、且不能在惡劣環境中應用。采用全無源元件構成的無線傳感器目前只能測量單一的物理量，例如，J.Zhai（人名）等人提出的無源無線氣壓傳感器，Ya?Wang（人名）等人提出的無源無線溫度傳感器等。

發明內容

技術問題：本發明提供了一種由電感、電容等元件構成的具有廣泛應用和較低成本的無源無線溫度、氣壓集成傳感器。

技術方案：本發明的無源無線溫度氣壓集成傳感器，采用方形膜電容式氣壓傳感器和懸臂梁電容式溫度傳感器，包括從下至上依次連接的玻璃襯底、半導體襯底、下介質層、下金屬層、中間介質層、中間金屬層、上介質層和上金屬互連線，半導體襯底包括基底、設置在基底上表面的氣壓傳感器下電極、位于氣壓傳感器下電極一側并與之連接的引線、位于氣壓傳感器下電極另一側的的溫度傳感器支撐梁，氣壓傳感器下電極和引線的材質為重摻雜半導體。下介質層上設置有位于引線上方的下介質通孔和位于溫度傳感器支撐梁上方的下介質梁。下金屬層包括第一螺旋電感、位于第一螺旋電感環繞的區域內的氣壓傳感器上電極和溫度傳感器下電極，溫度傳感器下電極位于下介質梁的上方，氣壓傳感器上電極的一端與第一螺旋電感的內側端部連接。中間金屬層包括溫度傳感器上電極和環繞溫度傳感器上電極并與之相連的第二螺旋電感，溫度傳感器上電極位于中間介質梁的上方。上介質層上設置有位于溫度傳感器上電極上方的上介質梁、位于上介質梁一側的上介質第一通孔和上介質第二通孔。

上金屬互連線位于上介質第一通孔和上介質第二通孔之間，上金屬互連線的一端通過上介質第一通孔和中間介質通孔，與溫度傳感器下電極連接，另一端通過上介質第二通孔與第二螺旋電感的外側端部連接，引線的一端與氣壓傳感器下電極連接，另一端通過下介質通孔與第一螺旋電感的外側端部連接。

本發明中，氣壓傳感器下電極、下介質層和氣壓傳感器上電極形成方形膜電容式氣壓傳感器，方形膜電容式氣壓傳感器與第一螺旋電感連成壓敏諧振回路；溫度傳感器下電極、中間介質梁和溫度傳感器上電極形成懸臂梁電容式溫度傳感器，懸臂梁電容式溫度傳感器與第二螺旋電感連成熱敏諧振回路。

本發明中，壓敏諧振回路和熱敏諧振回路工作在不同的諧振頻率，方形膜電容式氣壓傳感器通過第一螺旋電感將氣壓敏感信號無線輸出，懸臂梁電容式溫度傳感器通過第二螺旋電感將溫度敏感信號無線輸出。

當氣壓變化時，方形膜電容式氣壓傳感器產生形變，使得電容尺寸變化，同時在介電伸縮效應作用下，介電常數發生變化，因此壓敏電容變化，進而表征氣壓的諧振頻率峰值發生變化；當溫度變化時，由于熱應力不匹配，懸臂梁電容式溫度傳感器產生形變，使得電容尺寸變化，同時在介電伸縮效應作用下，介電常數發生變化，因此熱敏電容變化，進而表征溫度的諧振頻率峰值發生變化。無源無線溫度、氣壓集成傳感器可以完全由CMOS?MEMS工藝制作。

這種傳感器利用方形膜電容式氣壓傳感器檢測氣壓的變化、懸臂梁電容式溫度傳感器檢測溫度的變化，利用不同電感耦合輸出信號。

有益效果：本發明和現有技術相比，具有以下優點：

帶電路的無源無線集成傳感器具有體積大、功耗大、不能在惡劣環境下工作的缺點。本發明利用電感、電容等全無源元件構成集成溫度、氣壓傳感器，由于所有的元器件都為無源器件，可以工作在高溫、低溫、高污染等惡劣環境中。

本發明采用CMOS?MEMS工藝制備，借助已有集成電路工廠的批量制造能力，傳感器體積小、功耗低、一致性好，成本低，適合于產業化生產。

附圖說明

圖1為本發明傳感器的分層示意圖。

圖2為本發明傳感器的剖面圖。

圖3為半導體襯底的平面結構圖。