[發(fā)明專利]基于正弦波激勵(lì)的單芯片集成式碳納米管濕度傳感器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310281175.X
• 申請(qǐng)日: 2013-07-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103308569A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉曉為;李拓;尹亮;付強(qiáng);董長(zhǎng)春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/12
• 分類號(hào): G01N27/12
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種濕度檢測(cè)的傳感器。

背景技術(shù)

濕度傳感器在氣象監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、家用電器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，基于人類對(duì)氣象監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境的測(cè)控、物資倉(cāng)儲(chǔ)、家居生活中對(duì)環(huán)境濕度的檢測(cè)和控制的需求，濕度傳感器得到不斷地研究和發(fā)展，目前已成為應(yīng)用最普遍的化學(xué)傳感器之一。而材料化學(xué)、微電子技術(shù)的進(jìn)步，使傳感器微小型化和高性能的發(fā)展提供了新的動(dòng)力。開(kāi)發(fā)新型濕敏材料和推廣微型化、集成化的濕度傳感器成為科研和市場(chǎng)化的明確方向；此外，發(fā)展兼具溫濕度、壓力及生物化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)性能的多功能傳感器，也要通過(guò)提高傳感器的集成度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前，新興的納米材料已超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體陶瓷材料和有機(jī)高分子材料成為最有潛力和適合集成化的濕敏材料。而碳納米管因其獨(dú)特的準(zhǔn)一維納米多孔結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前濕敏材料的研究熱點(diǎn)。碳納米管濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、可室溫工作和適合微型化的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景良好。最主流的碳納米管濕度傳感器包括：石英晶振型、場(chǎng)發(fā)射型、場(chǎng)效應(yīng)型、電容型和電阻型等，其中電容型和電阻型結(jié)構(gòu)最適合發(fā)展集成化，且便于信號(hào)檢測(cè)。傳統(tǒng)的濕度傳感器與接口電路的集成方式是雙芯片式或多芯片式，其集成難以解決分立式傳感器與電路芯片的PCB板級(jí)連接或外部連線造成的誤差和噪聲干擾等問(wèn)題。

本發(fā)明中采用對(duì)傳感器施加正弦波激勵(lì)信號(hào)，能夠在傳感器與接口電路在單個(gè)芯片內(nèi)集成，除去外部連接干擾的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步抑制傳感器輸出信號(hào)的波動(dòng)，保證其檢測(cè)穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服當(dāng)現(xiàn)有的傳感器與接口電路的雙芯片式或多芯片集成時(shí)，普遍存在的傳感器與電路芯片的PCB板級(jí)連接或外部連線造成的誤差和噪聲干擾。本發(fā)明提供一種基于正弦波激勵(lì)的單芯片集成式碳納米管濕度傳感器。

本發(fā)明是一種基于正弦波激勵(lì)的單芯片集成式碳納米管濕度傳感器，包含帶加熱單元的微型碳納米管濕度傳感器和正弦波激勵(lì)接口電路；

所述正弦波激勵(lì)接口電路為檢測(cè)電阻式正弦波激勵(lì)電路或?yàn)闄z測(cè)電容式正弦波激勵(lì)電路；所述檢測(cè)電阻式正弦波激勵(lì)電路由第一正弦波發(fā)生電路、第一開(kāi)關(guān)S1、第一前置放大電路、第一相敏解調(diào)電路?、第一低通濾波電路?、第一溫度補(bǔ)償電路?、第一比較器?、第一加法器電路?組成；所述開(kāi)關(guān)S1為帶控制端的標(biāo)準(zhǔn)CMOS對(duì)管開(kāi)關(guān)；第一正弦波發(fā)生電路的輸出端分別與第一前置放大電路的第一輸入端、第一比較器的正向輸入端相連，第一比較器的反向輸入端接地；帶加熱單元的微型碳納米管濕度傳感器的輸出端與第一前置放大電路的第二輸入端相連；第一前置放大電路的輸出端與第一相敏解調(diào)電路的第一輸入端相連；第一比較器的輸出端與第一開(kāi)關(guān)S1的控制端相連；第一開(kāi)關(guān)S1通路兩端的一端接地，開(kāi)關(guān)S1通路兩端的另一端與第一相敏解調(diào)電路的第二輸入端相連；第一相敏解調(diào)電路的輸出端與第一低通濾波電路的輸入端相連；第一低通濾波電路的輸出端和第一溫度補(bǔ)償電路的輸入端都與第一加法器電路的輸入端相連，第一加法器的輸出端為整個(gè)芯片的輸出端；所述第一正弦波發(fā)生電路由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2、運(yùn)算放大器OP1組成；電阻R1的一端和電容C1的一端都接地；電阻R1的另一端和電容C1的另一端都與電容C2的一端、運(yùn)算放大器OP1的反向輸入端相連；運(yùn)算放大器OP1的正向輸入端和電阻R3的一端都接地；電容C2的另一端與電阻R2的一端相連；電阻R2的另一端與電阻R3的另一端相連、運(yùn)算放大器OP1的輸出端相連為第一正弦波發(fā)生電路的輸出端；第一前置放大電路由電阻R4和運(yùn)算放大器OP2組成；運(yùn)算放大器OP2的正向輸入端為第一前置放大電路的第一輸入端；電阻R4的一端與運(yùn)算放大器OP2反向輸入端相連為第一前置放大電路的第二輸入端；電阻R4的另一端與運(yùn)算放大器OP2的輸出端相連為第一前置放大電路的輸出端；第一相敏解調(diào)電路由電阻R5、電阻R6、電阻R7、電容C3、運(yùn)算放大器OP3組成；電阻R5的一端與電阻R6的一端相連為第一相敏解調(diào)電路的第一輸入端；電阻R5的另一端分別與運(yùn)算放大器OP3的反向輸入端、電容C3的一端、電阻R7的一端相連；電阻R6的另一端為第一相敏解調(diào)電路?的第二輸入端，并且與運(yùn)算放大器OP3的正向輸入端相連；電容C3的另一端、電阻R7的另一端、運(yùn)算放大器OP3的輸出端相連為第一相敏解調(diào)電路的輸出端；第一低通濾波電路由電阻R8、電阻R9、電阻R10、電容C4、電容C5、運(yùn)算放大器OP4組成；電阻R8的一端為第一低通濾波電路的輸入端；電阻R8的另一端分別與電阻R9的一端、電阻R10的一端、電容C4的一端相連；電阻R9的另一端與電容C5的一端相連；電阻R10的另一端和電容C5的另一端都與運(yùn)算放大器OP4的反向輸入端相連；電容C4的另一端接地；運(yùn)算放大器OP4的正向輸入端接地；運(yùn)算放大器OP4的輸出端為第一低通濾波電路的輸出端；所述檢測(cè)電容式正弦波激勵(lì)電路由第二正弦波發(fā)生電路、第二前置放大電路、90度移相電路、第二比較器、第二開(kāi)關(guān)S2、第二相敏解調(diào)電路、第二低通濾波電路，第二溫度補(bǔ)償電路、第二加法器電路組成；所述開(kāi)關(guān)S2為帶控制端的標(biāo)準(zhǔn)CMOS對(duì)管開(kāi)關(guān)；第二正弦波發(fā)生電路的輸出端分別與第二前置放大電路的第一輸入端、90度移相電路的輸入端相連；帶加熱單元的微型碳納米管濕度傳感器的輸出端與第二前置放大電路的第二輸入端相連；90度移相電路的輸出端與第二比較器的正向輸入端相連；第二比較器的反向輸入端接地；第二比較器的輸出端與開(kāi)關(guān)S2的控制端相連；開(kāi)關(guān)S2通路兩端的一端接地，開(kāi)關(guān)S2通路兩端的另一端與第二相敏解調(diào)電路的第二輸入端相連；第二前置放大電路的輸出端與第二相敏解調(diào)電路的第一輸入端相連；第二相敏解調(diào)電路輸出端與第二低通濾波電路輸入端相連；第二低通濾波電路的輸出端和第二溫度補(bǔ)償電路的輸出端都與第二加法器電路的輸入端相連；第二加法器電路的輸出端為整個(gè)芯片的輸出端；所述第二正弦波發(fā)生電路由電阻R11、電阻R12、電阻R13、電容C6、電容C7、運(yùn)算放大器OP5組成；電阻R11的一端和電容C6的一端都接地；電阻R11的另一端和電容C6的另一端都與電容C7的一端、運(yùn)算放大器OP5的反向輸入端相連；運(yùn)算放大器OP5的正向輸入端和電阻R13的一端都接地；電容C7的另一端與電阻R12的一端相連；電阻R12的另一端與電阻R13的另一端、運(yùn)算放大器OP5的輸出端相連為第二正弦波發(fā)生電路的輸出端；90度移相電路由電阻R18、電阻R19、電阻R20、運(yùn)算放大器OP8組成；電阻R18的一端與電阻R20的一端相連為90度移相電路的輸入端；R18的另一端分別與電阻R19的一端、運(yùn)算放大器OP8的反向輸入端相連；電阻R20的另一端與運(yùn)算放大器的正向輸入端相連；電阻R19的另一端與運(yùn)算放大器的輸入端相連為90度移相電路的輸出端；第二前置放大電路由電阻R14和運(yùn)算放大器OP6組成；運(yùn)算放大器OP6的正向輸入端為第二前置放大電路的第一輸入端；電阻R14的一端與運(yùn)算放大器OP6反向輸入端相連為第二前置放大電路的第二輸入端；電阻R14的另一端與運(yùn)算放大器OP6的輸出端相連為第二前置放大電路的輸出端；第二相敏解調(diào)電路由電阻R15、電阻R16、電阻R17、電容C8、運(yùn)算放大器OP7組成；電阻R15的一端與電阻R16的一端相連為第二相敏解調(diào)電路的第一輸入端；電阻R15的另一端分別與運(yùn)算放大器OP7的反向輸入端、電容C8的一端、電阻R17的一端相連；電阻R16的另一端為第二相敏解調(diào)電路的第二輸入端，并且與運(yùn)算放大器OP7的正向輸入端相連；電容C8的另一端、電阻R17的另一端、運(yùn)算放大器OP7的輸出端相連為第二相敏解調(diào)電路的輸出端；第二低通濾波電路由電阻R21、電阻R22、電阻R23、電容C9、電容C10、運(yùn)算放大器OP9組成；電阻R21的一端為第二低通濾波電路的輸入端；電阻R21的另一端分別與電阻R22的一端、電阻R23的一端、電容C9的一端相連；電阻R22的另一端與電容C10的一端相連；電阻R23的另一端和電容C10的另一端都與運(yùn)算放大器OP9的反向輸入端相連；電容C9的另一端接地；運(yùn)算放大器OP9的正向輸入端接地；運(yùn)算放大器OP9的輸出端為第二低通濾波電路的輸出端；當(dāng)帶加熱單元的微型碳納米管濕度傳感器與檢測(cè)電阻式正弦波激勵(lì)電路連接時(shí)；它的底層為硅襯底層，硅襯底層上面設(shè)置有整層二氧化硅外延層；二氧化硅外延層上面一側(cè)的中間部分設(shè)置有金屬一層，金屬一層的結(jié)構(gòu)具體為一對(duì)叉指電極層結(jié)構(gòu)；在二氧化硅外延層邊緣處設(shè)置有與金屬叉指電極導(dǎo)電連通的輸出接口焊盤(pán)；在叉指電極結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)置有金屬二層及其多個(gè)多晶硅電阻，金屬二層結(jié)構(gòu)為多個(gè)多晶硅電阻的連線，所有多晶硅電阻的連接方式為并聯(lián)，并將其電源輸入接口設(shè)置在二氧化硅外延層邊緣處；在暴露出的二氧化硅外延層上、金屬一層上、金屬二層上和多個(gè)多晶硅電阻上設(shè)置有整層鈍化層，在鈍化層上刻蝕出多個(gè)焊盤(pán)窗口，每個(gè)焊盤(pán)窗口都位于叉指電極正上方并暴露出叉指電極，多個(gè)焊盤(pán)窗口以方形陣列形式排列，同一叉指電極上的焊盤(pán)窗口以最小間距排列；在鈍化層上面中間部即整個(gè)叉指電極區(qū)域的正上方位置，覆蓋有一整層碳納米管濕度敏感薄膜；所述碳納米管濕度敏感薄膜的覆蓋工藝為不損害芯片的濺射工藝、絲網(wǎng)印刷工藝或者懸涂工藝；檢測(cè)電阻式正弦波激勵(lì)電路設(shè)置在二氧化硅外延層上表面的另一側(cè)；上述所有層結(jié)構(gòu)、多個(gè)多晶硅電阻結(jié)構(gòu)和檢測(cè)電阻式正弦波激勵(lì)電路都是用CADENCE版圖繪制軟件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS?IC工藝制作；工藝的特征尺寸為0.5um、0.35um、0.18um或非標(biāo)準(zhǔn)等工藝條件；當(dāng)帶加熱單元的微型碳納米管濕度傳感器與檢測(cè)電容式正弦波激勵(lì)電路連接時(shí)；它的底層為硅襯底層，硅襯底層上面設(shè)置有整層二氧化硅外延層；二氧化硅外延層上表面的一側(cè)的中間部分設(shè)置有金屬一層，金屬一層的結(jié)構(gòu)具體為一對(duì)叉指電極層結(jié)構(gòu)；在二氧化硅外延層邊緣處設(shè)置有與金屬叉指電極導(dǎo)電連通的輸出接口焊盤(pán)；在叉指電極結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)置有金屬二層及其多個(gè)多晶硅電阻，金屬二層結(jié)構(gòu)為多個(gè)多晶硅電阻的連線，所有多晶硅電阻的連接方式為并聯(lián)，并將其電源輸入接口設(shè)置在二氧化硅外延層邊緣處；在暴露出的二氧化硅外延層上、金屬一層上、金屬二層上和多個(gè)多晶硅電阻上設(shè)置有整層鈍化層，在鈍化層上刻蝕出多個(gè)焊盤(pán)窗口，每個(gè)焊盤(pán)窗口都位于叉指電極正上方并暴露出叉指電極，多個(gè)焊盤(pán)窗口以方形陣列形式排列，同一叉指電極上的焊盤(pán)窗口以最小間距排列；在鈍化層上面的中間部，即整個(gè)叉指電極區(qū)域的正上方位置，覆蓋有一整層碳納米管濕度敏感薄膜；所述碳納米管濕度敏感薄膜的覆蓋工藝為不損害芯片的濺射工藝、絲網(wǎng)印刷工藝或者懸涂工藝；檢測(cè)電容式正弦波激勵(lì)電路設(shè)置在二氧化硅外延層上表面的另一側(cè)；上述所有層結(jié)構(gòu)、多個(gè)多晶硅電阻結(jié)構(gòu)和檢測(cè)電容式正弦波激勵(lì)電路都是用CADENCE版圖繪制軟件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS?IC工藝制作；工藝的特征尺寸為0.5um、0.35um、0.18um或非標(biāo)準(zhǔn)等工藝條件。