双层电感式无线无源湿度传感器的研究

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随着时代的不断发展,信息交流变得越来越重要,人们渴望获得更多有效的信息。随着科技的不断进步,人类进入了传感时代。各种各样的传感器使得人们的生活智能化,而物联网的诞生,使得微型化、低功耗、无线化、无源化等特点成为新时代传感器的要求,特别是无线化与无源化,可以帮助人们进行一些恶劣环境或者密闭空间的监测,使得人们可以搜集到更多的数据。可以预见的是,无线无源传感器的应用领域会越来越广,包含:工业领域、医疗领域、生物领域等等,未来人们对与无线无源的依赖也会越来越多。  由于湿度是人们日常生活与工作的一个重要参数,MEMS无线无源湿度传感器也一直是科研工作者研究的重点。其中实现无线无源比较常见的是方法是利用LC振荡回路技术,通过湿敏电容和片上电感构成谐振回路,谐振频率与环境湿度之间存在一个映射关系,用频率的改变来反应湿度的变化。平面叉指电容虽然设计简单,但是很大一部分电力线是穿过空气的,导致有效电容比较小。而三明治电容由于灵敏度高、设计多样,常被用作湿敏电容,但是传统的三明治电容为多层结构,必须考虑上下电极的引出问题,需要多步光刻才能实现,使得传统三明治结构无线无源湿度传感器在工艺上具有一定的复杂度。同时,单层电感结构的电感值较小,为了获得大电感就必须增加圈数,占用更多的面积,不利于提高集成度。  针对以上问题,本论文提出一种采用三明治结构的双层电感式无线无源湿度传感器,它完全省去了通孔工艺,敏感电容上下电极通过电感耦合实现电信号传递,使得工艺大大简化,也提高了传感器成品率,同时双层电感结构使得谐振电路总电感增加,避免了初始谐振频率落在高频段,降低外部电路设计难度,较大的总电感可以节省芯片面积,提高集成度。  本文建立了双层电感结构的理论模型,分析了该结构理论上的可行性与优越性。给出了该传感器完整的工艺流程,利用微加工工艺制备样品并进行测试。本文对电感为4圈的单层电感结构,反向双层电感结构和同向双层电感结构进行比较,并且制作了电感为10圈的反向双层电感结构。经过测试与对比得到:单层4圈结构的灵敏度为48.9 kHz/%RH,谐振频率在604MHz附近;同向双层4圈结构的灵敏度为18.2kHz/%RH,谐振频率在603MHz附近;反向双层4圈结构的灵敏度为80.7KHz/%RH,谐振频率在75MHz附近;反向双层10圈结构的灵敏度为21.7 kHz/%RH,谐振频率在22MHz附近。可知采用反向双层电感结构的湿度传感器工艺得到了简化,灵敏度得到了提高。
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