一種多層電感無源無線lc溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多層電感無源無線LC溫度傳感器，包括溫敏電感和電容構成的LC諧振回路，所述溫敏電感包括N層層疊的檢測電感，各檢測電感串聯(lián)連接，相鄰兩層檢測電感之間及最頂層的檢測電感頂部均設有蓋片，最底層的檢測電感底部設有襯底；每層檢測電感結構相同，均包括電感模具，電感模具為螺旋形狀的凹槽，凹槽內注有液態(tài)金屬合金形成螺旋電感；凹槽內、液態(tài)金屬合金上表面形成金屬氧化物保形層，金屬氧化物保形層在凹槽內的高度低于凹槽上表面的高度；LC諧振回路中的電容由相鄰的兩層檢測電感質之間的寄生電容并聯(lián)構成。本發(fā)明結構簡單、靈敏度高、響應較快。
【專利說明】
一種多層電感無源無線LC溫度傳感器
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于微電子機械系統(tǒng)工藝的溫度傳感器，尤其是一種多層電感無源無線LC溫度傳感器。
【背景技術】
[0002]無源無線傳感器相對于傳統(tǒng)的傳感器具有體積更小、理論上具有無限壽命等優(yōu)點，十分適用于狹小密閉環(huán)境、惡劣環(huán)境以及具有旋轉結構的環(huán)境之中。LC無源無線傳感器一般是由電容和電感兩部分構成，它是諧振式傳感器的一種，具有結構簡單，不包含有源元件，可以集成加工實現(xiàn)等優(yōu)點，隨著MEMS技術和物聯(lián)網技術的發(fā)展，LC無源無線傳感器已成為本領域國際上主要研究方向之一，是最有潛力的諧振式無源無線傳感器，有著非常重要的應用前景。溫度是科學研究、生產乃至日常生活中一個經常測量和控制的重要參數(shù)，自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度密切相關，因此對于溫度的監(jiān)測尤為重要。傳統(tǒng)的有線溫度傳感器雖然能夠滿足大部分應用，但是布線非常不方便。使用無線溫度傳感器，可以大量節(jié)省人力、物力、財力，而且技術上也非常容易實現(xiàn)，但現(xiàn)存的LC無源無線溫度傳感器較少，且一般是基于敏感電容的變化實現(xiàn)對于溫度檢測，這種溫度傳感器具有輸出電容與溫度之間的非線性比較大，靈敏度較差的缺點。

【發(fā)明內容】

[0003]發(fā)明目的:為解決上述技術問題，提供一種針對MEMS領域的、靈敏度高、響應較快且結構簡單的LC無源無線傳感器，本發(fā)明提出一種多層電感無源無線LC溫度傳感器。
[0004]技術方案:本發(fā)明提出的技術方案為:
[0005]—種多層電感無源無線LC溫度傳感器，包括溫度電感和電容構成的LC諧振回路，所述溫敏電感包括N層層疊的檢測電感，各檢測電感串聯(lián)連接，相鄰兩層檢測電感之間及最頂層的檢測電感頂部均設有蓋片4，最底層的檢測電感底部設有襯底I;每層檢測電感結構相同，均包括電感模具3，電感模具3為螺旋形狀的凹槽，凹槽內注有液態(tài)金屬合金2形成螺旋電感；凹槽內、液態(tài)金屬合金2上表面形成金屬氧化物保形層5，金屬氧化物保形層5在凹槽內的高度低于凹槽上表面的高度;LC諧振回路中的電容由相鄰的兩層檢測電感質之間的寄生電容并聯(lián)構成。
[0006]其工作原理為:當溫度發(fā)生變化時，電感模具3的形狀會由于熱脹冷縮而發(fā)生變化，進而引起液態(tài)金屬合金2的形貌發(fā)生變化，即引起電感值發(fā)生變化，從而引起LC諧振回路的諧振頻率的改變。外部讀出系統(tǒng)可以通過電感線圈近場耦合的非接觸方式提取這個諧振頻率，進而確定待測的溫度值。
[0007]進一步的，所述液態(tài)金屬合金2為共融鎵銦合金。
[0008]進一步的，所述N=2。
[0009]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢:
[0010]1、綜合其材料的加工成本、制作工藝的實現(xiàn)方式以及諧振頻率的變化大小來說，本發(fā)明提出的雙層電感無源無線LC溫度傳感器具有成本低、制作工藝簡單、敏感量大的優(yōu)點。
[0011]2、多層疊層電感，既可增加單位面積上的靈敏度，又可以提高LC傳感器的信號Q值，有助于信號提取與分析。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實施例的結構圖；
[0013]圖2為本發(fā)明實施例中的縱截面示意圖；
[0014]圖3為本發(fā)明實施例中的N取2時的等效電路示意圖；
[0015]圖4為本發(fā)明實施例中的N取3時的等效電路示意圖；
[0016]圖5為本發(fā)明實施例中的N取4時的等效電路示意圖。
[0017]圖中:1、襯底，2、液態(tài)金屬合金，3、電感模具，4、蓋片，5、金屬氧化物保形層。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0019]如圖1所示為本發(fā)明實施例的結構圖，本實施例中N=2，所述雙層電感無源無線LC溫度傳感器從上至下分為第一蓋片、第一檢測電感、第二蓋片、第二檢測電感和襯底I;所述第一檢測電感和第二檢測電感結構相同，均包括電感模具3，電感模具3設有螺旋形狀的凹槽，凹槽內注有液態(tài)金屬合金2，液態(tài)金屬合金在螺旋形狀的凹槽內形成螺旋電感;凹槽內、液態(tài)金屬合金上表面形成金屬氧化物保形層5，金屬氧化物保形層5在凹槽內的高度低于凹槽上表面的高度;第一檢測電感、第二檢測電感與以第一、第二兩層檢測電感作為兩個電極板的寄生電容串聯(lián)構成L C諧振回路。
[0020]上述實施例的等效電路示意圖如圖3所示，圖中，電感L12為第一檢測電感L1、第二檢測電感L2串聯(lián)而成，電容C12為以第一檢測電感LI和第二檢測電感L2為兩個電極板的寄生電容。
[0021]圖4為上述實施例中的N取3時的等效電路示意圖，其中，電感L123為三層檢測電感串聯(lián)形成的等效電感，電容C12為第一、第二層檢測電感之間的寄生電容，電容C23為第二、第三層檢測電感之間的寄生電容，C12和C23并聯(lián)。
[0022]圖5為上述實施例中的N取4時的等效電路示意圖，其中，電感L1234為四層檢測電感串聯(lián)形成的等效電感，電容C12為第一、第二層檢測電感之間的寄生電容，電容C23為第二、第三層檢測電感之間的寄生電容，C34為第三、第四層檢測電感之間的寄生電容，C12、C23、C34 并聯(lián)。
[0023]上述實施例的工作原理為:當溫度發(fā)生變化時，電感模具3的形狀會由于熱脹冷縮而發(fā)生變化，進而引起液態(tài)金屬合金2的形貌發(fā)生變化，即引起電感值發(fā)生變化，從而引起傳感器節(jié)點諧振頻率的改變。外部讀出系統(tǒng)可以通過電感線圈近場耦合的非接觸方式提取這個諧振頻率，進而確定待測的溫度值。
[0024]在本實施例中，襯底1、電感模具3、第一、第二蓋片均選用PDMS材料制成，液態(tài)金屬合金2為液態(tài)共融鎵銦合金(EGaIn)。
[0025]本實施例所述電感式溫度傳感器的制作過程如下:
[0026]首先，制作SU-8陽模，將TOMS樹脂和固化劑按體積比10:1的劑量配比，充分攪拌，真空抽氣取出所有氣泡，并澆注到成型的陽模上，再次去除氣泡后，置于75°C烘箱中2h以上進行固化。固化后將整片PDMS蓋片揭下，按需要的形狀光刻，使用空心針鉆孔作為流體進出口，氮氣吹掉殘余細肩，即制備出TOMS電感模具;其次，將電感模具與另一片電感模具之間加入一片蓋片膜片并對準貼合，置于80°C烘箱中l(wèi)h，實現(xiàn)雙層電感模具結構;在電感模具中注入液態(tài)金屬合金，并在液態(tài)金屬合金上表面生成氧化物作為金屬氧化物保形層5;最后將襯底和頂層蓋片與雙層電感模具進行對準貼合，實現(xiàn)密封。
[0027]在本實施例中，電感由液態(tài)金屬合金注入到微通道中形成，僅需要通過軟光刻以及快速成形的方法，流體電感的制作比傳統(tǒng)的微電感制作簡單，金屬采用共融鎵銦合金(EGaIn)，在室溫時是低粘度的液體，表面有薄氧化層使得在彈性通道內的機械穩(wěn)定性。因為是液體導電，機械特性和電感的形狀由彈性通道所決定，通道的材料是PDMS。
[0028]PDMS隨溫度變化而會發(fā)生形變，進而引起液態(tài)電感的形貌發(fā)生變化，從而可以改變其電感值。由于PDMS電感模具可以忍受可逆的機械形變，因此可以反復測量溫度的變化值。
[0029]作為對本發(fā)明所述技術方案的另一種實施例，模具材料可以采用各向異性變形的膜材料如N-異丙基丙烯酰胺，這樣形變的可控性更高。
[0030]作為對本發(fā)明所述技術方案的另一種實施例，可以對于雙層電感的形貌加以設計和改進以適用于不同的應用場合。
[0031]作為對本發(fā)明所述技術方案的另一種實施例，可以將雙層電感改為多層疊層電感，既可增加單位面積上的靈敏度，又可以提高LC傳感器的信號Q值，有助于信號提取與分析。
[0032]作為對本發(fā)明所述技術方案的另一種實施例，液態(tài)金屬合金可以選用其它的液態(tài)全屬會全
W./ 兩口 W.0
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種多層電感無源無線LC溫度傳感器，包括溫度電感和電容構成的LC諧振回路，其特征在于，所述溫敏電感包括N層層疊的檢測電感，各檢測電感串聯(lián)連接，相鄰兩層檢測電感之間及最頂層的檢測電感頂部均設有蓋片(4)，最底層的檢測電感底部設有襯底(I);每層檢測電感結構相同，均包括電感模具(3)，電感模具(3)為螺旋形狀的凹槽，凹槽內注有液態(tài)金屬合金(2)形成螺旋電感；凹槽內、液態(tài)金屬合金(2)上表面形成金屬氧化物保形層(5)，金屬氧化物保形層(5)在凹槽內的高度低于凹槽上表面的高度;LC諧振回路中的電容由相鄰的兩層檢測電感質之間的寄生電容并聯(lián)構成。2.根據權利要求1所述的一種多層電感無源無線LC溫度傳感器，其特征在于，所述襯底(I)、電感模具(3)和蓋片(4)均由PDMS或N-異丙基丙烯酰胺材料制成。3.根據權利要求1所述的一種多層電感無源無線LC溫度傳感器，其特征在于，所述液態(tài)金屬合金(2)為共融鎵銦合金。4.根據權利要求1所述的一種多層電感無源無線LC溫度傳感器，其特征在于，所述N=2。
【文檔編號】G01K7/00GK105938021SQ201610510194
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】任青穎, 王立峰, 黃燕, 黃慶安
【申請人】東南大學