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CN106197537B - 一种温湿度集成的无源无线传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种温湿度集成的无源无线传感器，包括温敏电感和湿敏电容构成的LC谐振回路；所述温敏电感为三明治结构，包括底层衬底、中部的电感模具和上层盖片；电感模具为螺旋形的凹槽，凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金，液态金属合金的体积小于凹槽的容积；凹槽内液态金属合金的上表面设有一层氧化物保形层，氧化物保形层的高度低于凹槽上表面的高度；所述湿敏电容设置在上层盖片远离电感模具一面上，与温敏电感形成串联结构。本发明结构简单、制作难度低、成品敏感量大、感温结构新颖，能同时实现温湿度无源无线感测。

Description

一种温湿度集成的无源无线传感器
技术领域
本发明涉基于MEMS(微电子机械系统)工艺的新型温湿度集成的无源无线传感器，尤其是一种温湿度集成的无源无线传感器。
背景技术
LC(电感电容)无源无线传感器是将待测参数转换为谐振频率，并通过互感耦合的方式非接触测量传感器节点的谐振频率，从而实现无源无线检测目的。LC无源无线传感器内部不含有源元件，结构简单，理论上具有无限寿命。因此，非常适合于食品药品包装检测、建筑物安全检测以及封装可靠性验证等应用。随着无线传感网、物联网产业的迅猛发展，LC无源无线传感器具有广阔的应用前景。一般现有的LC无源无线传感器都是针对于环境的单个参数进行感测，如温度、湿度、压力、PH值等等，但是在实际应用中，温度和湿度的同时检测具有更大的应用意义，而且将温度参量值作为湿度测量时的补偿因子，还可以得到更精确的湿度测量值。因此，设计实现温湿度无源无线传感器具有非常重要的应用前景。
发明内容
发明目的：为提供可以同时检测温湿度两个参数且结构简单的无源无线传感器，本发明提出一种温湿度集成的无源无线传感器。
技术方案：本发明提出的技术方案为：
一种温湿度集成的无源无线传感器，包括温敏电感和湿敏电容构成的LC谐振回路；
所述温敏电感为三明治结构，包括底层衬底1、中部的电感模具3和上层盖片4；电感模具3为螺旋形的凹槽，凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金2，液态金属合金2的体积小于凹槽的容积；凹槽内液态金属合金2的上表面设有一层氧化物保形层5，氧化物保形层5的高度低于凹槽上表面的高度；
所述湿敏电容设置在上层盖片4远离电感模具3一面上，与温敏电感形成串联结构。
进一步的，所述湿敏电容为叉指电容，包括片状的叉指电极6，叉指电极6的一面贴在上层盖片4上表面上，另一面上喷涂有湿敏介质7。
具体的，所述液态金属合金2为共融镓铟合金。
具体的，所述氧化物保形层5为金属氧化物层。
具体的，所述叉指电极6为铂电极，所述湿敏介质7为氧化石墨烯。
具体的，所述底层衬底1、电感模具3和上层盖片4均由PDMS材料制成。
具体的，所述底层衬底1、电感模具3和上层盖片4均由N-异丙基丙烯酰胺材料制成。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、结构简单，制作难度较低；
2、制作材料成本低、制作工艺简单、且成品敏感量大。
3、感温结构新颖，能同时实现温湿度无源无线感测。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构图；
图2为本发明实施例中的纵截面剖视图；
图中：1、底层衬底，2、液态金属合金，3、电感模具，4、上层盖片，5、氧化物保形层，6、叉指电极，7、湿敏介质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为本发明实施例的立体结构图，包括温敏电感和湿敏电容构成的LC谐振回路；温敏电感为三明治结构，包括底层衬底1、中部的电感模具3和上层盖片4；电感模具3为螺旋形的凹槽，凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金2，液态金属合金2的体积小于凹槽的容积；凹槽内液态金属合金2的上表面设有一层氧化物保形层5，氧化物保形层5的高度低于凹槽上表面的高度；所述湿敏电容设置在上层盖片4远离电感模具3一面上，与温敏电感形成串联结构；湿敏电容为叉指电容，包括片状的叉指电极6，叉指电极6的一面贴在上层盖片4上表面上，另一面上喷涂有湿敏介质7。
上述技术方案中，底层衬底1起基座作用，氧化物保形层5的作用是保证液态金属合金电感的机械稳定性。
在本实施例中，底层衬底1、电感模具3和上层盖片4均选用PDMS材料制成，液态金属合金2为液态共融镓铟合金(EGaIn)，氧化物保形层5为金属氧化物，叉指电极6为金属铂电极，湿敏介质7为氧化石墨烯薄膜。
本实施例所述温湿度集成的无源无线传感器的制作过程如下：
(1)首先，制作SU-8阳模，将PDMS树脂和固化剂按体积比10：1的剂量配比，充分搅拌，真空抽气取出所有气泡，并浇注到成型的阳模上，再次去除气泡后，置于75℃烘箱中2h以上进行固化。
(2)固化后将整片PDMS盖片揭下，按需要的形状光刻出底层衬底1、电感模具3和上层盖片4。在电感模具3上使用空心针钻孔作为流体进出口，氮气吹掉残余细屑，即制备出PDMS电感模具；
(3)将电感模具3与底层衬底1对准贴合，置于80℃烘箱中1h，实现电感模具3与底层衬底1的密封；
(4)在电感模具3中注入液态共融镓铟合金，注入后在液态共融镓铟合金上表面生成氧化物保形层5；
(5)在上层盖片4的一面上通过铂金属淀积形成图形化的叉指状铂电极；将电感模具3与上层盖片4的另一面对准贴合，实现密封；
(6)最后在铂电极上喷涂氧化石墨烯感湿介质。
在本实施例中，电感由液态金属合金2注入到微通道中形成，仅需要通过光刻以及快速成形的方法。
本实用新型的工作原理为：温敏电感和湿敏电容串联构成LC谐振回路，当湿度发生变化时，氧化石墨烯湿敏介质的介电常数发生变化，即引起传感器节点谐振频率的改变；当温度发生变化时，PDMS电感模具的形状会由于热胀冷缩而发生变化，进而引起液态金属合金2的形貌发生变化即引起电感值发生变化，从而引起传感器节点谐振频率处的阻抗值发生变化。外部读出系统可以通过电感线圈近场耦合的非接触方式提取这个阻抗频谱图，进而确定待测的温度及湿度值。
作为对本发明所述技术方案的一种优选实施方式，电感模具3可以采用各向异性变形的膜材料如N-异丙基丙烯酰胺，这样形变的可控性更高。
作为对本发明所述技术方案的另一种优选实施方式，温敏电感可以设计为多层结构，每一层均由电感模具3和液态金属合金2组成，相邻的两层间通过PDMS制成的隔层隔开，这种设计既增加了温度的灵敏度，又可以提高谐振回路的Q值，有助于信号提取与分析。
作为对本发明所述技术方案的另一种优选实施方式，湿敏电容也可以设计为液态金属电极电容，简化加工工艺。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，包括温敏电感和湿敏电容构成的LC谐振回路；
所述温敏电感为三明治结构，包括底层衬底(1)、中部的电感模具(3)和上层盖片(4)；电感模具(3)为螺旋形的凹槽，凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金(2)，液态金属合金(2)的体积小于凹槽的容积；凹槽内液态金属合金(2)的上表面设有一层氧化物保形层(5)，氧化物保形层(5)的高度低于凹槽上表面的高度；
所述湿敏电容设置在上层盖片(4)远离电感模具(3)一面上，与温敏电感形成串联结构。
2.根据权利要求1所述的一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，所述湿敏电容为叉指电容，包括片状的叉指电极(6)，叉指电极(6)的一面贴在上层盖片(4)上表面上，另一面上喷涂有湿敏介质(7)。
3.根据权利要求1所述的一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，所述液态金属合金(2)为共融镓铟合金。
4.根据权利要求1所述的一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，所述氧化物保形层(5)为金属氧化物层。
5.根据权利要求2所述的一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，所述叉指电极(6)为铂电极，所述湿敏介质(7)为氧化石墨烯。
6.根据权利要求1所述的一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，所述底层衬底(1)、电感模具(3)和上层盖片(4)均由PDMS材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种温湿度集成的无源无线传感器，其特征在于，所述底层衬底(1)、电感模具(3)和上层盖片(4)均由N-异丙基丙烯酰胺材料制成。
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