[发明专利]一种无线无源MEMS温度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)温度传感器，尤其涉及一种无线无源MEMS温度传感器及其制备方法。

背景技术

温度传感器在航空航天、气象监测、工农业生产及民众日常生活中应用广泛。无线温度传感器是温度传感器的一个重要分支，它无需连线就可以与外部进行信号传输，具有使用灵活、操作方便的特点，此外，在一些无法连线的环境(如密封环境)中，必须使用无线传感器。因此，无线温度传感器具有广阔的发展前景。

对于无线传感器，传感器信号传输的方式包括有源和无源等两种传输方式，有源传输是指传感系统中带有电源，这种传输方式可以双向长距离传输传感器信号，但是体积大、系统复杂且需要更换电池；无源传输是指传感系统中无需使用电源，利用电感耦合或射频反射调制等机制进行信号传输，这种方式的信号传输距离较短，但是体积小、系统简单且不需要更换电池，理论上可以无限期工作，特别适合在密封容器等密闭环境以及高温等恶劣环境中应用。

目前，无线无源MEMS温度传感器主要由电容及电感(LC)连接组成：电容作为传感器的温度敏感元件，温度变化会引起电容的介电常数或极板间距改变，导致电容值发生变化，进而引起LC回路的谐振频率等电学参数发生变化，通过外部读出电路中的耦合电感获取传感器的谐振频率等电学参数，即可实现温度测量。对于这种LC式无线无源温度传感器，需要通过增加温敏元件尺寸来获得可接受的传感器灵敏度，因此，传感器的尺寸往往较大，且存在灵敏度与微型化的矛盾；此外，目前这种传感器需要使用不同的工艺步骤分别进行电容及电感的制作以及形成电容和电感的回路连接，因此加工较为复杂，制作成本较高。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种尺寸小、结构简单且紧凑、加工方便、制作成本低、灵敏度高及线性度高的无线无源MEMS温度传感器，并同时给出一种无线无源MEMS温度传感器的制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线无源MEMS温度传感器，包括衬底，在衬底下方正中位置设空腔，将衬底正对空腔的区域称为空腔区域，周侧的其他区域称为侧壁区域；在衬底的上表面由下至上依次设置下介质层、第一中间介质层、第二中间介质层、第三中间介质层和上介质层，下介质层、第一中间介质层、第二中间介质层、第三中间介质层和上介质层均覆盖空腔区域和侧壁区域；在下介质层和第一中间介质层之间设置第一铁磁材料层，第一铁磁材料层位于空腔区域；在第一中间介质层和第二中间介质层之间设置第一敏感电感和电容下极板，第一敏感电感位于空腔区域(增强温度变化时敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所引起的变形以提高整个传感器的灵敏度)，电容下极板位于侧壁区域，第一敏感电感为矩形螺旋面结构，电容下极板与第一敏感电感的外侧端连接；在第二中间介质层和第三中间介质层之间设置第二敏感电感和电容上极板，第二敏感电感位于空腔区域并位于第一敏感电感正上方(增强温度变化时敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所引起的变形以提高整个传感器的灵敏度，并且使得第一敏感与第二敏感电感之间形成大的互感，进一步增强敏感电感的值及对环境温度的响应变化，提高传感器灵敏度)，电容上极板位于侧壁区域并位于电容下极板正上方，第二敏感电感为矩形螺旋面结构，电容上极板与第二敏感电感的外侧端连接；在第三中间介质层和上介质层之间设置第二铁磁材料层，第二铁磁材料层位于空腔区域；在第一中间介质层上表面的中心位置设置连接柱，连接柱贯穿第二中间介质层并深入到第三中间介质层内，第一敏感电感的内侧端和第二敏感电感的内侧端均与连接柱连接，实现第一敏感电感和第二敏感电感的串联，最终构成传感器LC回路中的敏感电感；所述电容上极板、电容下极板以及电容上极板与电容下极板之间的第二中间介质层共同构成传感器LC回路中的电容。

优选的，所述衬底为硅衬底。

优选的，所述下介质层为SiO₂层，厚度在100nm～1000nm范围内。SiO₂层所具有的低介电常数可以抑制衬底所引入的寄生电容；此外，SiO₂层所具有的小的热膨胀系数可以增加温度变化时由于敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所产生的形变，提高传感器灵敏度。

优选的，所述第一铁磁材料层和第二铁磁材料层为具有逆磁滞伸缩效应的CoFeB层、CoFeSiB层或NiFeSiB层。根据逆磁滞伸缩效应，铁磁材料层在形变后产生的应变会造成所属层的磁导率发生变化，进而引起敏感电感的值发生变化。