一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器.pdf

一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器，涉及一种压力传感器。设有上基板和下基板，上基板下表面设有上凹槽，下基板上表面设有下凹槽，上凹槽与下凹槽之间形成空腔；在空腔内从上至下设有上金属层和下金属层，所述上金属层设有平面电感线圈、可变电容上极板、固定电容上极板，可变电容上极板位于平面电感线圈中间，固定电容上极板位于平面电感线圈外部；所述平面电感线圈的内侧连接头与可变电容上极板连接，平面电感线圈的外侧连接头与固定电容上极板连接；所述下金属层设有可变电容下极板、固定电容下极板、连接可变电容下极板和固定电容下极板的互连线。制备工艺简单，密封性能好，生产成本低。

1.  一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器，其特征在于设有上基板和下基板， 上基板下表面设有上凹槽，下基板上表面设有下凹槽，上凹槽与下凹槽之间形成空腔；在空 腔内从上至下设有上金属层和下金属层，所述上金属层设有平面电感线圈、可变电容上极板、 固定电容上极板，可变电容上极板位于平面电感线圈中间，固定电容上极板位于平面电感线 圈外部；所述平面电感线圈的内侧连接头与可变电容上极板连接，平面电感线圈的外侧连接 头与固定电容上极板连接；所述下金属层设有可变电容下极板、固定电容下极板、连接可变 电容下极板和固定电容下极板的互连线。

2.  如权利要求1所述一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器，其特征在于所述 上基板和下基板的面积相同。

3.  如权利要求1所述一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器，其特征在于所述 可变电容上极板与可变电容下极板尺寸相同且位置相对，构成可变电容；所述固定电容上极 板与固定电容下极板尺寸相同且位置相对，构成固定电容。

4.  如权利要求1所述一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器，其特征在于所述 固定电容的电容值至少比可变电容的电容值大两倍。

一种无上下互连电极的LC无线无源压力传感器
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及基于LC谐振电路的一种无上下互连电极的LC 无线无源压力传感器。
背景技术
压力传感器是传感器家族中使用最多的一个分支，大部分压力传感器使用电池供电，并 通过导线与信号处理设备连接，严重限制了压力传感器的应用环境和使用寿命。无线无源压 力传感器探头本身不需要电源，无导线引出，在一些高温高压、易燃易爆、动力旋转部件等 不允许建立传感器及其测试电路的有线连接的检测环境中，具有广泛的应用市场。利用MEMS 工艺制作的LC谐振式无线无源压力传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、便于集成、价 格便宜等特点，是近些年各国的研究热点。
LC谐振式无线无源压力传感器通常由一个电感线圈和一个压力敏感电容构成。其基本原 理是，当压力发生变化时，电容随之改变，进而影响LC回路的谐振频率，外部阅读电路通过 电感耦合的方式实现与传感器之间能量和电容变化信号的传输，从而实现对压力的测量。MEMS 制作的LC无线无源压力传感器需要解决两大技术难点：电容极板引线和腔体密封问题。针对 电容极板引线问题，目前已有的传感器采用两层或三层基底结构，其电感线圈和电容上极板 位于上层基底，电容下极板位于下层基底，电感线圈和电容下极板之间利用通孔互连，并使 用层压技术或键合工艺进行封装。此类传感器由于通孔互连工艺复杂，且电感线圈和电容上 极板裸露在空气中，需进行下一步封装以提高性能，整体工艺流程较为复杂，制备成本高。 此外，有部分传感器采用两层基底，其电感线圈和电容上极板位于上层基底面向电容下极板 的一侧，与电容下极板同置于密闭的空腔中，电感线圈和电容下极板的连接与传感器封装工 艺同时进行。此类传感器为了实现电感线圈和电容下极板的有效连接，封装工艺中定位精度 要求极高，同时由于电感电容的互连线延伸至传感器基底的封装界面上，需要在封装界面上 溅射金属以构成互连点，对封装工艺的要求提高，制备成本相应增加。
中国专利CN101322020公开一种压力传感器系统，包含集成在基底中的压力传感电容器 和电感器。所述压力传感电容器包含用于检测压力差的导电隔膜和通过形成在基底中的预定 间隙与隔膜分离开的电极。所述电感器和压力传感电容器形成无源电感性－电容性(LC)振荡 电路。以感应方式耦合到所述压力传感器电感器线圈的远程询问电路可以用于无线检测LC振 荡电路的谐振频率的变化。使用逐层加工技术制造所述整体集成的压力传感器结构。
中国专利CN103698060A公开一种无线无源高温压力传感器，包括第一生瓷片、第二生瓷 片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片；第一生瓷片的上表面左部布置有第一平板电容 器的下极板；第一生瓷片的上表面右部布置有第二平板电容器的下极板；第一电感线圈与第 一平板电容器共同构成温度补偿敏感LC环路；第二电感线圈与第二平板电容器共同构成主敏 感LC环路。
发明内容
本发明的目的在于提供采用4片电容极板的双电容结构，可解决目前无线压力传感器中 由于电容极板引线和腔体密封所导致的制备工艺复杂，生产成本高等问题的一种无上下互连 电极的LC无线无源压力传感器。
本发明设有上基板和下基板，上基板下表面设有上凹槽，下基板上表面设有下凹槽，上 凹槽与下凹槽之间形成空腔；在空腔内从上至下设有上金属层和下金属层，所述上金属层设 有平面电感线圈、可变电容上极板、固定电容上极板，可变电容上极板位于平面电感线圈中 间，固定电容上极板位于平面电感线圈外部；所述平面电感线圈的内侧连接头与可变电容上 极板连接，平面电感线圈的外侧连接头与固定电容上极板连接；所述下金属层设有可变电容 下极板、固定电容下极板、连接可变电容下极板和固定电容下极板的互连线。
所述上基板和下基板的面积最好相同，以便进行密封连接。
所述可变电容上极板与可变电容下极板尺寸相同且位置相对，构成可变电容；所述固定 电容上极板与固定电容下极板尺寸相同且位置相对，构成固定电容。
所述固定电容的电容值至少比可变电容的电容值大两倍，以提高本发明的测量精度。
与现有的无线无源压力传感器相比，本发明的优点在于：采用4片电容极板的双电容结 构，其中固定电容两极板位于电感线圈和可变电容下极板的互连线上，即电感线圈和可变电 容下极板之间无直接电气连接，避免使用互连线，对封装时的对准精度要求相对降低，只需 考虑相应电容极板和上下基板各自的对准问题。由于在封装界面上不存在其他类似电极引线 的材料，即封装界面没有其他材料的引入，因而键合前基底无需进行额外的抛光处理。材料 的单一性及平整性都对传感器的封装起到了很好的保障作用，使得压力传感器的整体制备工 艺更为简单，密封性能更好，生产成本更低。
附图说明
图1为本发明实施例的横向剖视图(往上基板方向看)。
图2为本发明实施例的横向剖视图(往下基板方向看)。
图3为本发明实施例的纵向剖视图。
图4为本发明实施例的部件分解图。
图5为本发明实施例的LC谐振回路等效电路图。
图6为本发明实施例测量压力时的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1～4所示，本发明实施例设有上基板1和下基板4，上基板1下表面设有上凹槽， 下基板4上表面设有下凹槽，上凹槽与下凹槽之间形成空腔5；在空腔5内从上至下设有上 金属层2和下金属层3，所述上金属层2设有平面电感线圈6、位于平面电感线圈6中间的可 变电容上极板7、位于平面电感线圈外部的固定电容上极板8，所述平面电感线圈6的内侧连 接头9与可变电容上极板7连接，平面电感线圈6的外侧连接头10与固定电容上极板8连接； 所述下金属层3设有可变电容下极板11、固定电容下极板12、连接可变电容下极板11和固 定电容下极板12的互连线13。
所述可变电容上极板7与可变电容下极板11尺寸相同且位置相对，构成可变电容；所述 固定电容上极板8与固定电容下极板12尺寸相同且位置相对，构成固定电容。
所述固定电容的电容值至少比可变电容的电容值大两倍，以提高本发明的测量精度。
所述上基板可采用高阻硅材料制成，其中金属的掺杂浓度可做调整。所述下基板可采用 高硅玻璃材料制成，例如Pyrex 7740。空腔覆盖了电容极板和平面电感线圈所在的区域。综 合考虑平面电感线圈的电感量和品质因数Q，平面电感线圈一般采用中空结构。将平面电容 置于该中空区域，可以减小传感器的整体尺寸。但平面电容和平面电感线圈之间存在电气连 接，增加了制造难度。因此，在牺牲传感器尺寸的基础上，采用4片电容极板的新结构，解 决电气连接的难题。上金属层2包括平面电感线圈6、可变电容上极板7和固定电容上极板8。 可变电容上极板7位于平面电感线圈的中间，固定电容上极板8位于平面电感线圈的外部。 平面电感线圈6上设有内侧连接头9和外侧连接头10。平面电感线圈6的内侧连接头9与可 变电容上极板7连接。平面电感线圈6的外侧连接头10与固定电容上极板8连接。下金属层 3包括可变电容下极板11，固定电容下极板12和互连线13。可变电容下极板11与可变电容 上极板7尺寸相同，位置相对。固定电容下极板12与固定电容上极板8尺寸相同，位置相对。 互连线13的一端与可变电容下极板11连接，另一端与固定电容下极板12连接。
所述上基板1和下基板4具有相同的面积，便于对准，有利于后续封装工艺。
所述空腔5由上基板1和下基板4的凹槽构成；上基板1和下基板4通过湿法腐蚀工艺， 形成凹槽。
所述上基板1通过湿法腐蚀工艺，在上基板1的背面局部减薄形成压力敏感膜14，该压 力敏感膜与可变电容上极板7的面积相等，位置相对。
上述结构的无线无源压力传感器中，固定电容上极板8和固定电容下极板12构成固定电 容。上基板1、下基板4、可变电容上极板7和可变电容下极板11构成了可变电容。固定电 容和可变电容以串联的方式连接，固连成压力敏感可变电容，作为传感器的压力敏感器件。 为了减少二者串联后对可变电容值的影响，固定电容的值至少比可变电容高出两倍以上，因 此固定电容的电容极板面积比可变电容的极板面积相对较大。压力敏感可变电容和平面电感 线圈6共同构成了压力传感器的主体部分。平面电感线圈6的内侧连接头9与可变电容上极 板7连接，平面电感线圈6的外侧连接头10与固定电容上极板8连接，互连线13的一端与 可变电容下极板11连接，另一端与固定电容下极板12连接，可变电容下极板11与可变电容 上极板7尺寸相同且位置相对，固定电容下极板12与固定电容上极板8尺寸相同且位置相对， 即压力敏感可变电容与平面电感线圈两端互相连接，形成LC谐振回路，其等效电路如图5所 示。可变电容上极板7与上基板1中的压力敏感膜14直接接触。在外界压力的作用下，压力 敏感膜14会发生形变。
本发明的制作过程如下：首先选取硅片和玻璃片，分别作为上基板1和下基板4。接着 利用湿法腐蚀加工出上述的空腔5和压力敏感膜14。然后在上基板1和下基板4中溅射出上 述的4片电容极板。再通过电铸工艺，制备平面电感线圈6，以及互连线13。最后采用键合 工艺做整体封装。
如图6所示，使用本发明进行测量时，需要利用外部阅读线圈15和外部阅读系统16。 外部阅读线圈15连接外部阅读系统16，当外部阅读线圈15靠近压力传感器时，与平面电感 线圈6形成电感耦合，类似于变压器。
以下给出本发明的工作过程：
当外界压力发生变化时，位于上基板1的压力敏感膜14发生形变，从而导致压力敏感可 变电容的极板间距及电容值发生变化，进而引起LC电路的谐振频率发生改变。外部阅读系统 16的交变扫频信号通过外部阅读线圈15以电磁场的形式辐射出去，耦合到传感器的平面电 感线圈6上。当LC电路的谐振频率与外部阅读系统16的扫频信号频率相同时，会引起传感 器谐振。由于外部阅读线圈15和平面电感线圈6之间存在互感耦合，谐振时，外部阅读线圈 15的输入阻抗、阻抗相位角以及输出电压等参量出现明显的变化点。利用外部阅读系统16 读取这些参量的变化值，分析并确定压力传感器的谐振频率，转化为对应的压力值，从而实 现对压力的测量。