專利名稱：基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器。
背景技術(shù)：
壓力傳感器廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合，在有些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，比如:人體內(nèi)部、食品包裝等密封環(huán)境，需要壓力傳感器具備無(wú)線遙測(cè)能力。目前無(wú)線遙測(cè)壓力傳感器包括兩大類:有源遙測(cè)和無(wú)源遙測(cè)。有源遙測(cè)是指?jìng)鞲邢到y(tǒng)中帶有電源，這種遙測(cè)方式可以雙向長(zhǎng)距離傳輸傳感器信號(hào)，但是其系統(tǒng)復(fù)雜、尺寸大，而且電池需要更換。無(wú)源遙測(cè)是指?jìng)鞲邢到y(tǒng)中沒(méi)有電源，利用電感耦合或射頻(RF)反射調(diào)制實(shí)現(xiàn)信號(hào)的獲取，這種遙測(cè)方式信號(hào)傳輸距離短，但是體積小、不需要更換電池，理論上可以無(wú)限期工作。其中，LC無(wú)源無(wú)線壓力傳感器是無(wú)源遙測(cè)中的最主要的一類。LC無(wú)源無(wú)線壓力傳感器通常是由一個(gè)壓力敏感電容和一個(gè)電感線圈構(gòu)成的LC諧振回路，電感線圈即作為L(zhǎng)C回路中的電感元件，同時(shí)也承擔(dān)著壓力信號(hào)的無(wú)線輸出功能。當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，電容隨著改變，進(jìn)而影響LC回路的諧振頻率，并通過(guò)電感耦合的方式把信號(hào)傳遞出去。目前，LC無(wú)源無(wú)線壓力傳感器通常是由微電子機(jī)械加工(文中簡(jiǎn)稱:MEMS)壓敏電容和電感構(gòu)成。該電感可以是和電容傳感器集成在一起的片上電感，但是這種電感一般很難獲得較高的品質(zhì)因數(shù)Q，從而限制了器件的整體特性；另外也可以采用外部繞制的金屬絲電感線圈，但是這將使得器件的尺寸增加，而且難以批量加工。另外，MEMS壓敏電容也要解決兩大技術(shù)難點(diǎn):電容極板引線以及腔體密封問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供了一種基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，該壓力傳感器采用基于柔性基板的全無(wú)源元件構(gòu)成，具有自封裝、非接觸、高靈敏度、高品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)良性能。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，該壓力傳感器包括從上向下依次布置且固定連接的上柔性基板、上金屬層、中柔性基板、下金屬層和下柔性基板，中柔性基板上設(shè)有電氣通孔和空腔；所述的上金屬層包括平面電感線圈和位于平面電感線圈中間的電容上極板，且平面電感線圈的內(nèi)側(cè)連接頭和電容上極板連接；所述的下金屬層包括與電容上極板尺寸相同且位置相對(duì)的電容下極板，以及與電容下極板連接的互連線；所述的上金屬層的平面電感線圈的外側(cè)連接頭通過(guò)位于電氣通孔中的導(dǎo)電介質(zhì)柱與下金屬層的互連線連接，中柔性基板的空腔位于電容上極板和電容下極板之間。進(jìn)一步，所述的空腔位于中柔性基板的中部。進(jìn)一步，所述的上金屬層的厚度為10 — 20微米，下金屬層的厚度為10 — 20微米。有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn): (I)具有自封裝功能，封裝成本低。本發(fā)明的傳感器制作層壓以后，上柔性基板和下柔性基板可以保護(hù)位于上柔性基板和下柔性基板之間的上金屬層、中柔性基板和下金屬層，也就是保護(hù)了傳感器的電容和電感，不需要另外加上封裝結(jié)構(gòu)。這樣，本發(fā)明的上柔性基板和下柔性基板同時(shí)起到了封裝功能，降低可封裝成本。(2)高品質(zhì)因數(shù)。在影響電感品質(zhì)因數(shù)Q值的眾多因素中，金屬層厚度是最主要的。金屬層厚度越高，品質(zhì)因數(shù)Q值越高。基于微電子加工工藝的金屬層通常是通過(guò)濺射工藝得到的，金屬層通常約1-2 μ m,而本發(fā)明的壓力傳感器的上金屬層和下金屬層采用電鍍工藝得到，上金屬層和下金屬層的厚度分別可達(dá)十幾微米。本發(fā)明的壓力傳感器的金屬層的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的壓力傳感器的金屬層厚度。因此，本發(fā)明的壓力傳感器品質(zhì)因數(shù)Q值高。壓力傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q值越高，線圈的損耗越小，功耗小。
(3)靈敏度高。本發(fā)明的壓力傳感器中，上柔性基板、下柔性基板、電容上極板、電容下極板和中柔性基板構(gòu)成了平板電容。上柔性基板和下柔性基板位置相對(duì)，且空腔位于上柔性基板和下柔性基板之間。當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，位于空腔兩側(cè)的上柔性基板和下柔性基板都發(fā)生形變。也就是說(shuō)，上柔性基板和下柔性基板都為壓力敏感元件。在一個(gè)壓力傳感器中設(shè)置兩個(gè)壓力敏感元件，有利于增加傳感器的靈敏度。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本發(fā)明的壓力傳感器完全基于柔性基板加工工藝，制作工藝簡(jiǎn)單。本發(fā)明的壓力傳感器包括上柔性基板、上金屬層、中柔性基板、下金屬層和下柔性基板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。上柔性基板和下柔性基板既作為制作電容極板和電感的載體，又起到了保護(hù)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，使用時(shí)，不需要另外加上封裝結(jié)構(gòu)。(5)具有非接觸結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的壓力傳感器在測(cè)試時(shí)，是非接觸測(cè)量，利用結(jié)構(gòu)的感應(yīng)信號(hào)作為輸出信號(hào)，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。(6)本發(fā)明的壓力傳感器采用位于電氣通孔中的導(dǎo)電介質(zhì)柱將單層平面螺旋形的平面電感線圈和平板電容并聯(lián)，避免外接引線，減小了互連線的長(zhǎng)度，降低了寄生電感，減小寄生效應(yīng)，可以簡(jiǎn)化等效電學(xué)模型。


圖1為本發(fā)明的部件爆炸圖。圖2為本發(fā)明的縱向剖視圖。圖3為本發(fā)明進(jìn)行壓力測(cè)量的裝置示意圖。圖中有:上柔性基板1、上金屬層2、中柔性基板3、下金屬層4、下柔性基板5、導(dǎo)電介質(zhì)柱6、電容上極板7、電容下極板8、平面電感線圈9、空腔10、內(nèi)側(cè)連接頭11、外側(cè)連接頭12、互連線13、電氣通孔14、外部讀出線圈20、外部讀出系統(tǒng)21。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，包括從上向下依次布置且固定連接的上柔性基板1、上金屬層2、中柔性基板3、下金屬層4和下柔性基板5。上柔性基板1、中柔性基板3和下柔性基板5均采用柔性材料制成，例如柔性材料采用聚酰亞胺(PI)、液晶高分子聚合物(LCP)，或者聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)。中柔性基板3上設(shè)有電氣通孔14和空腔10。該空腔10位于中柔性基板3中部為佳?？涨?0位于中柔性基板3中部，可以減小傳感器的體積。綜合考慮平面電感的電感量以及Q值，平面電感一般采取中空結(jié)構(gòu)。這樣把平面電容置于該區(qū)域，就不會(huì)增加器件的整體尺寸。上金屬層2包括平面電感線圈9和電容上極板7。電容上極板7位于平面電感線圈9的中間。也就是說(shuō)，平面電感線圈9繞在電容上極板7外側(cè)周邊。平面電感線圈9上設(shè)有內(nèi)側(cè)連接頭11和外側(cè)連接頭12。平面電感線圈9的內(nèi)側(cè)連接頭11和電容上極板7連接。下金屬層4包括電容下極板8和互連線13。電容下極板8與電容上極板7尺寸相同，且電容下極板8與電容下極板8位置相對(duì)?；ミB線13的一端與電容下極板8連接。上金屬層2的平面電感線圈9的外側(cè)連接頭12通過(guò)電氣通孔14中的導(dǎo)電介質(zhì)柱6與下金屬層4的互連線13連接。中柔性基板3的空腔10位于電容上極板7和電容下極板8之間。進(jìn)一步，所述的上柔性基板1、中柔性基板3和下柔性基板5具有相同的尺寸。采用相同的尺寸，有利于后續(xù)對(duì)準(zhǔn)層壓工藝，便于制造。進(jìn)一步，上金屬層2的厚度為10 — 20微米，下金屬層4的厚度為10 — 20微米。上金屬層2和下金屬層4的厚度，比現(xiàn)有的傳感器的金屬層厚度大，有利提高電感品質(zhì)因數(shù)Q值。上述結(jié)構(gòu)的壓力傳感器中，電容上極板7、電容下極板8和位于中柔性基板3上的空腔10構(gòu)成平板電容。中柔性基板3的空腔10為平板電容的空腔。平板電容作為壓力傳感器的壓力敏感器件。壓力傳感器還包括平面電感線圈9。平面電感線圈9的內(nèi)側(cè)連接頭11和電容上極板7連接，平面電感線圈9的外側(cè)連接頭12通過(guò)電氣通孔14中導(dǎo)電介質(zhì)柱6與下金屬層4的互連線13連接。平板電容和平面電感線圈9兩端相互連接，形成LC (LC對(duì)應(yīng)英文為“LC tank ”，對(duì)應(yīng)中文為電感、電容回路)諧振回路。該壓力傳感器中的上柔性基板I和下柔性基板5在外部壓力作用下，都會(huì)發(fā)生形變，從而顯著增加了壓力敏感電容的靈敏度。金屬線圈的電阻損耗是抑制平面電感品質(zhì)因數(shù)Q值的最主要因素，而降低一定長(zhǎng)度線圈電阻的兩個(gè)基本途徑就是提高電導(dǎo)率和增加截面積。傳統(tǒng)的片上濺射金屬電感，濺射金屬的厚度有限(通常是兩微米以下)。制作同樣寬度的電感，片上電感的截面積小，而本發(fā)明中的方法制作的電感截面積較大，從而提高電感Q值。如圖3所示，使用上述結(jié)構(gòu)的壓力傳感器時(shí)，需要利用外部讀出線圈20和外部讀出系統(tǒng)21。外部讀出系統(tǒng)21通常是阻抗分析儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀。外部讀出線圈20接入外部讀出系統(tǒng)21。外部讀出線圈20靠近壓力傳感器的平面電感線圈9。外部讀出線圈20和平面電感線圈9不接觸。外部讀出線圈20和平面電感線圈9構(gòu)成松耦合變壓器。利用上述結(jié)構(gòu)的壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量的過(guò)程是:當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，位于空腔10兩側(cè)的上柔性基板I和下柔性基板5都發(fā)生形變。上柔性基板I和下柔性基板5發(fā)生形變，會(huì)帶動(dòng)上金屬層2和下金屬層4發(fā)生形變，從而導(dǎo)致平板電容的電容尺寸及其電容值發(fā)生變化，進(jìn)而引起LC回路的諧振頻率的變化。外部讀出線圈20的阻抗相位在壓力傳感器LC回路的諧振頻率處出現(xiàn)陷落點(diǎn)。利用外部讀出系統(tǒng)21分析外部讀出線圈20的阻抗頻率特性，并以此確定壓力傳感器LC回路的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)的無(wú)源無(wú)線測(cè)量。該壓力傳感器的壓力信號(hào)通過(guò)電感耦合方式無(wú)線輸出。本發(fā)明的壓力傳感器完全由柔性基板加工工藝制作。該壓力傳感器的制作過(guò)程為:首先選取兩塊柔性覆銅板分別作為上柔性基板I和下柔性基板5。該柔性覆銅板一般為聚酰亞胺層和銅箔層壓而成，通過(guò)濕法腐蝕工藝將銅箔分別加工成所述的上金屬層2和下金屬層4。接著選取一塊聚酰亞胺層，并在其中間開(kāi)空腔10，作為中柔性基板3。然后通過(guò)柔性基板加工工藝中的層壓技術(shù)，將上述多層結(jié)構(gòu)對(duì)齊并層壓在一起。上金屬層2和下金屬層4之間的連接通過(guò)電氣通孔14中的導(dǎo)電介質(zhì)柱6實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器包括從上向下依次布置且固定連接的上柔性基板(I)、上金屬層(2)、中柔性基板(3)、下金屬層(4)和下柔性基板(5)，中柔性基板(3)上設(shè)有電氣通孔(14)和空腔(10)； 所述的上金屬層(2)包括平面電感線圈(9)和位于平面電感線圈(9)中間的電容上極板(7)，且平面電感線圈(9)的內(nèi)側(cè)連接頭(11)和電容上極板(7)連接； 所述的下金屬層(4)包括與電容上極板(7)尺寸相同且位置相對(duì)的電容下極板(8)，以及與電容下極板(8)連接的互連線(13); 所述的上金屬層(2)的平面電感線圈(9)的外側(cè)連接頭(12)通過(guò)位于電氣通孔(14)中的導(dǎo)電介質(zhì)柱(6)與下金屬層(4)的互連線(13)連接，中柔性基板(3)的空腔(10)位于電容上極板(7)和電容下極板(8)之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，所述的空腔(10)位于中柔性基板(3)的中部。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，其特征在于，所述的上柔性基板(I )、中柔性基板(3)和下柔性基板(5)具有相同的尺寸。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，其特 征在于，所述的上金屬層(2)的厚度為10 — 20微米，下金屬層(4)的厚度為10 — 20微米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于柔性基板的具有自封裝功能的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器，包括從上向下依次布置且固定連接的上柔性基板、上金屬層、中柔性基板、下金屬層和下柔性基板，中柔性基板上設(shè)有電氣通孔和空腔；上金屬層包括平面電感線圈和位于平面電感線圈中間的電容上極板，且平面電感線圈的內(nèi)側(cè)連接頭和電容上極板連接；下金屬層包括與電容上極板尺寸相同且位置相對(duì)的電容下極板，以及與電容下極板連接的互連線；上金屬層的平面電感線圈的外側(cè)連接頭通過(guò)位于電氣通孔中的導(dǎo)電介質(zhì)柱與下金屬層的互連線連接，中柔性基板的空腔位于電容上極板和電容下極板之間。該壓力傳感器具有自封裝、非接觸、高靈敏度、高品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)良性能。
文檔編號(hào)G01L9/12GK103148977SQ201310062288
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者陳潔, 張聰, 王立峰, 佘德群 申請(qǐng)人:東南大學(xué)