一種無線濕度傳感器的制造方法
【專利摘要】一種無線濕度傳感器，包括天線、匹配網(wǎng)絡(luò)、整流器、上電復(fù)位電路、濕度傳感器、傳感器接口電路和調(diào)制電路組成；天線與匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端和調(diào)制電路輸出端相連；匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端與整流器輸入端相連；整流電路兩輸出端分別于上電復(fù)位電路電路輸入端和傳感器接口電路一輸入端相連；上電復(fù)位電路輸出端與傳感器接口電路一輸入端相連；濕度傳感器輸出端與傳感器接口電路一輸出端相連；傳感器接口電路輸出端與調(diào)制電路輸入端相連。濕度傳感器與整流器、上電復(fù)位電路、傳感器接口電路和調(diào)制電路集成在同一芯片上，采用無源供電，無需內(nèi)置電源，有效降低了制造成本，整體功耗低，有效工作距離長。
【專利說明】一種無線濕度傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種無線濕度傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 濕度傳感器被廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測、工藝控制、食品生產(chǎn)、生物電子及制藥中。濕 度傳感器通常檢測相對濕度而不是絕對濕度。大多數(shù)商用濕度傳感器采用電容式原理，這 是因?yàn)殡娙菔綕穸葌鞲衅骶哂械凸?、大動態(tài)范圍、接口電路簡單、容易集成的優(yōu)點(diǎn)。CMOS 工藝可以很容易的將傳感器與接口電路、信號處理電路及存儲器等電路集成在一起，有利 于獲得更高的準(zhǔn)確性、更小的芯片面積及更低的制造成本，因此采用CMOS工藝制造濕度傳 感器具有很大吸引力。
[0003] 射頻識別（RFID)技術(shù)作為一種先進(jìn)的自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，被公認(rèn)為21世 紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一，已經(jīng)成功的應(yīng)用到生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等各個 領(lǐng)域。RFID系統(tǒng)可以分為有源和無源兩類.由于無源RFID標(biāo)簽無需內(nèi)置電源供電，成本 低且靈活性強(qiáng)，因此更廣泛的被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中。無源RFID標(biāo)簽的工作能量來源 于天線接收到的讀寫器發(fā)出的無線能量，因此低功耗是無源RFID標(biāo)簽最重要的性能指標(biāo)。 無源RFID標(biāo)簽的功耗越低，標(biāo)簽工作的距離越大。
[0004] 近年來，針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的迅猛需求，許多傳統(tǒng)的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域必將與 RFID技術(shù)相結(jié)合，因此基于無源RFID技術(shù)的無線傳感器的研究成為熱點(diǎn)。國內(nèi)外對濕度傳 感器的研究主要集中在濕度傳感器單元設(shè)計上，而將濕度傳感器單元與無線信號處理模塊 集成在一起的無線濕度傳感器的研究還沒有報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種采用標(biāo)準(zhǔn) 互補(bǔ)金屬氧化物（CMOS)工藝設(shè)計并制造，與信號收發(fā)電路集成于同一芯片，采用無源供電， 功耗低，工作距離大的無線濕度傳感器。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案： 利用RFID標(biāo)簽技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種無線濕度傳感器，包含天線、匹配網(wǎng)絡(luò)、整流器、上電復(fù)位 電路、傳感器接口電路、濕度傳感器以及調(diào)制電路；匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端接整流器的輸入端， 整流器的兩輸出端分別與上電復(fù)位電路的電源端和傳感器接口電路的電源端相連；傳感器 接口電路的復(fù)位端接上電復(fù)位電路的輸出端；傳感器接口電路的輸入端接濕度傳感器；傳 感器接口電路的輸出端接調(diào)制電路的輸入端；調(diào)制電路的輸出端接天線。
[0007] 所述天線用于閱讀器信號的接收與調(diào)制信號的發(fā)送。
[0008] 所述匹配網(wǎng)絡(luò)用于天線與傳感器芯片間的功率匹配，從而達(dá)到最大功率傳輸。
[0009] 所述整流器用于將天線接收的無線信號轉(zhuǎn)換為上電復(fù)位電路和傳感器接口電路 正常工作所需的直流電壓。
[0010] 所述上電復(fù)位電路用于傳感器接口電路的復(fù)位清零。 toon] 所述濕度傳感器用于檢測環(huán)境濕度的變化。
[0012] 所述傳感器接口電路用于將濕度傳感器信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的數(shù)字信號輸出。
[0013] 所述調(diào)制電路用于完成傳感器數(shù)字信號的ASK反向散射調(diào)制。
[0014] 所述濕度傳感器、整流器、上電復(fù)位電路、傳感器接口電路和調(diào)制電路集成于同一 芯片內(nèi)。
[0015] 優(yōu)選地，所述濕度傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，在濕度傳感器的頂層金屬層制 造叉指電極，并覆蓋聚酰亞胺作為感濕材料層，無需任何后處理工序。具體可為：首先在硅 襯底上生長一層二氧化硅絕緣層，其次在二氧化硅絕緣層上沉積一層金屬鋁，再經(jīng)過光刻 和濕法刻蝕步驟制成叉指電極，最后在金屬鋁表面沉積一層聚酰亞胺作為濕度感應(yīng)層。
[0016] 優(yōu)選地，所述整流器基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，采用三級差分輸入結(jié)構(gòu)，每一級采用內(nèi) 部柵極電壓自偏置結(jié)構(gòu)，減小M0S開關(guān)管的有效導(dǎo)通電壓。
[0017] 優(yōu)選地，所述傳感器接口電路基于鎖相環(huán)原理，將濕度傳感器電容值直接轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號，采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，將濕度傳感器信號轉(zhuǎn)移到頻率域進(jìn)行處理，接口電路對電源電 壓變化不敏感，直接完成傳感器信號轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)字信號。傳感器接口電路可以工作在接 近于工藝閾值電壓的超低電源電壓下。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，將濕度傳感器與 收發(fā)電路集成在同一芯片上，降低制造成本低；整流器采用內(nèi)部柵極電壓自偏置結(jié)構(gòu)，提升 了二極管連接M0S開關(guān)管的整流效率，避免了使用成本較高的肖特基二極管工藝；傳感器 接口電路采用直接將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，功耗極低；由于傳感器 接口電路對電源電壓的變化不敏感，采用無源供電，無需內(nèi)置電源，去除了傳統(tǒng)無源RFID 標(biāo)簽芯片內(nèi)部所需的穩(wěn)壓電路，有效降低了制造成本；無線濕度傳感器整體功耗極低，工作 距離長。基于無源RFID技術(shù)的無線濕度傳感器不僅拓寬了 RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍，而且有 利于降低系統(tǒng)成本、減小電路面積及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的無線濕度傳感器原理框圖； 圖2 (a)是本發(fā)明的濕度傳感器的剖面圖； 圖2 (b)是本發(fā)明的濕度傳感器的俯視圖； 圖3是本發(fā)明的整流器電路圖； 圖4是本發(fā)明的傳感器接口電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5是所測試的環(huán)境濕度與反向散射信號對比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和較優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地闡述。以下較優(yōu)選 實(shí)施例僅僅用于說明和解釋本發(fā)明，而不構(gòu)成對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。
[0021] 參照圖1，無線濕度傳感器包括天線、匹配網(wǎng)絡(luò)和傳感器芯片，匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端 接天線，匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端接傳感器芯片的輸入端，傳感器芯片的輸出端接天線。傳感器芯 片包括整流器、上電復(fù)位電路、濕度傳感器、傳感器接口電路和調(diào)制電路五個模塊。
[0022] 所述傳感器芯片包含整流器、上電復(fù)位電路、傳感器接口電路、濕度傳感器以及調(diào) 制電路；匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端接整流器的輸入端，整流器的兩輸出端分別與上電復(fù)位電路的 電源端Vp和傳感器接口電路的電源端Vi相連；傳感器接口電路的復(fù)位端RST接上電復(fù)位電 路的輸出端；傳感器接口電路的輸入端接濕度傳感器；傳感器接口電路的輸出端接調(diào)制電 路的輸入端；調(diào)制電路的輸出端接天線。
[0023] 所述天線和匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在印制電路板上，在匹配情況下，傳感器芯片接收到的 功率最大。整流器將接收的交流信號轉(zhuǎn)換為上電復(fù)位電路和傳感器接口電路正常工作所需 的電源電壓。上電復(fù)位電路用于傳感器接口電路的清零。濕度傳感器檢測到的環(huán)境濕度的 變化，經(jīng)傳感器接口電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。傳感器數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制電路與天線，完成 ASK反向散射調(diào)制，返回給閱讀器。
[0024] 所述濕度傳感器采用中芯國際標(biāo)準(zhǔn)0. 18 μ m CMOS工序，無任何工藝后處理。如圖 2 (a)、圖2 (b)所示，首先在硅襯底上生長一層薄二氧化硅絕緣層，其次在絕緣層沉積一層 金屬鋁，再經(jīng)過光刻和濕法刻蝕步驟制成叉指電極，最后在表面沉積一層厚聚酰亞胺作為 濕度感應(yīng)層。本次設(shè)計中，叉指電極數(shù)量為40,鋁電極的長度為L=200ym，鋁電極寬度為 S=2. 5 μ m，相鄰鋁電極間隔為W=2. 5 μ m，聚酰亞胺層厚度Η=2· 4 μ m，金屬層的厚度h=l μ m， 在相對濕度變化范圍內(nèi)所設(shè)計的濕度傳感器電容值為5 - 6. 5pF。
[0025] 所述整流器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，采用內(nèi)部自偏壓結(jié)構(gòu)降低了完成二極管功能的 M0S管得導(dǎo)通電壓。如圖3所示，采用三級差分輸入結(jié)構(gòu)，每一級采用完全相同的結(jié)構(gòu)，下面 以第一級（NM0S管麗^與麗12、PM0S管MP n與MP12)來說明每一級內(nèi)部連接。輸入信號正極 VKF+經(jīng)輸入耦合電容C。與麗η的漏極、MPn的源極、麗12和MP 12的柵極相連；輸入信號負(fù)極 VKF-經(jīng)輸入耦合電容C。與麗12的漏極、MP12的源極、麗η和ΜΡ η的柵極相連；MNn與麗12的 源極相連作為每級直流信號輸入端，ΜΡ η和1^12的漏極相連作為每級直流信號輸出端；NM0S 管麗η與ΜΡη的襯底與最低直流電壓，即每級直流信號輸入端相連；PM0S管ΜΡη與ΜΡ 12的 襯底與最高直流電壓，即每級直流信號輸出端相連。
[0026] 所述傳感器接口電路采用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，直接完成傳感器電容值 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號輸出。如圖4所示，傳感器控制振蕩器SCO與數(shù)字 控制振蕩器DC0都是5級環(huán)形振蕩器，不同的是，SCO包含傳感器電容 ,而DC0包含一個開關(guān)控制的可變負(fù)載電容。所以SCO頻率受到傳感器電容 的調(diào)制，DC0頻率受到鑒相器ro輸出的數(shù)字輸出信號的調(diào)制。DC0的可變負(fù)載電容由 偏置電容G和開關(guān)電容?"構(gòu)成，其中q始終接入電路且和偏置大小一致；而開 關(guān)電容c m受到開關(guān)控制接入，考慮到線性度及流片后的誤差，一般開關(guān)電容c;設(shè)計為可 編程電容，且取值為最大變化范圍的1-2倍。為了減小功耗和增加靈敏度，虛擬電容 q取值較小。鑒相器ro是簡單的D觸發(fā)器DFF，它的輸出經(jīng)反饋去控制開關(guān)電容是否 接入。在環(huán)路穩(wěn)定的情況下，鑒相器ro輸出是一個占空比（Duty Cycle)受到調(diào)制的信號， 且該信號的平均值和傳感器電容的值變化成比例。
[0027] 由于本發(fā)明接口電路在頻率域處理傳感器信號，對電源電壓的變化不敏感，因此 相比其它RFID標(biāo)簽電路，本發(fā)明的傳感器芯片中整流器之后沒有采用穩(wěn)壓電路。圖5測試 了本發(fā)明的無線濕度傳感器分別在-20dbm，-12dbm和-5dbm三種輸入信號功率情況下的反 向散射信號，三次測試結(jié)果的一致性證實(shí)了本發(fā)明接口電路對電源電壓的變化不敏感。
【權(quán)利要求】
1. 一種無線濕度傳感器，其特征在于，包含天線、匹配網(wǎng)絡(luò)、整流器、上電復(fù)位電路、傳 感器接口電路、濕度傳感器以及調(diào)制電路；匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端接整流器的輸入端，整流器的 兩輸出端分別與上電復(fù)位電路的電源端和傳感器接口電路的電源端相連；傳感器接口電路 的復(fù)位端接上電復(fù)位電路的輸出端；傳感器接口電路的輸入端接濕度傳感器；傳感器接口 電路的輸出端接調(diào)制電路的輸入端；調(diào)制電路的輸出端接天線； 所述天線，用于接收閱讀器無線信號和發(fā)送調(diào)制電路信號； 所述匹配網(wǎng)絡(luò)，用于完成天線與整流器的功率匹配，達(dá)到最佳功率接收狀態(tài)； 所述整流器，用于完成將天線接收的無線信號轉(zhuǎn)換為上電復(fù)位電路和傳感器接口電路 正常工作所需的電源電壓； 所述上電復(fù)位電路，用于完成傳感器接口電路的復(fù)位清零； 所述濕度傳感器，用于完成環(huán)境溫度的檢測； 所述傳感器接口電路，用于完成將濕度傳感器檢測的信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的輸出數(shù)字信 號； 所述調(diào)制電路用于完成輸出數(shù)字信號的ASK反向散射調(diào)制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線濕度傳感器，其特征在于，所述濕度傳感器、整流器、上 電復(fù)位電路、傳感器接口電路和調(diào)制電路集成于同一芯片內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線濕度傳感器，其特征在于，所述濕度傳感器采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝制造，在濕度傳感器的頂層金屬層制造叉指電極，并覆蓋聚酰亞胺作為濕度感應(yīng) 層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線濕度傳感器，其特征在于，所述整流器基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工 藝，采用三級差分輸入結(jié)構(gòu)，每一級采用內(nèi)部柵極電壓自偏置結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線濕度傳感器，其特征在于，所述傳感器接口電路采用全 數(shù)字結(jié)構(gòu)，將濕度傳感器信號轉(zhuǎn)移到頻率域進(jìn)行處理，接口電路對電源電壓變化不敏感，直 接完成傳感器信號轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)字信號。
【文檔編號】H01L27/146GK104269039SQ201410507611
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】何怡剛, 鄧芳明, 佐磊, 尹柏強(qiáng), 李兵 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)