1、 学校编码： 10384 分类号 密级 学 号： 19920131152909 UDC 硕 士 学 位 论 文 LC 内嵌式无线压力传感器研究 Research on the Intrinsically Packaged LC Wireless Pressure Sensor 郑 成 指导教师姓名：孙道恒教授 指导教师姓名：王凌云副教授 专业名称：测试计量技术及仪器 论文提交日期：2016年05月 论文答辩时间：2016年05月 学位授予日期：2016年06月 答辩委员会主席： 评 阅 人： 2016 年 05 月厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学学位论文原创性声明 本人
2、呈交的学位论文是本人在导师指导下,独 立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究 成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学 研究生学术活动规范（试行） 。 另外，该学位论文为（ ）课题（组）的研究成果，获得（ ）课题（组）经费或实验室的资助，在（ ）实验室完成。 （请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此 项声明内容的，可以不作特别声明。 ） 声明人（签名） ： 年 月 日 厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文，并
3、向主管部门或其指 定机构送交学位论文（包括纸质版和电子版） ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕 士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采 用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： （ ）1.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。 （ ）2.不保密，适用上述授权。 （请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经 厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的， 默认
4、为公开学位论文，均适用上述授权。 ） 声明人（签名） ： 年 月 日 厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库摘 要 I 摘 要 LC 谐振无线压力传感器采用无线无源方式实现对压力信号的检测， 适用于狭小封闭的空间以及高温、腐蚀的恶劣环境，在生物医疗、 航空航天、工业控制等领域具有广阔的应用前景。目前，国内主要采用 LTCC、 HTCC 技术制备 LC 谐振无线压力传感器，其敏感元件尺寸大，灵敏度低，且电感线圈制作在结构外部，容易受外部环境破坏，降低了传感器的实用性。而采用 MEMS 技术能够制备小尺寸、高灵敏度、内嵌式的 LC 谐振无线压力传感器，提高 LC谐振无线压力传感器的实用性
5、。因此，本论文提出并实现一种基于 MEMS 技术的 LC 内嵌式无线压力传感器，主要研究工作如下： (1) 结合 MEMS 技术，提出了两种 LC 内嵌式无线压力敏感元件的结构方案，采用有限元仿真和矩量法电磁场仿真分别从结构和电学 方面比较了两种方案的性能，其中方案二具有更高的灵敏度，因此将其作为实现方案。根据 Greenhouse 公式分析尺寸参数对螺旋电感及敏感元件性能的影响，确定合适的电感尺寸，并采用电磁场仿真进行验证。 (2) 比较了 SU-8 光刻胶与 AZ P4620 光刻胶微电铸胶模的性能， 其中 AZ P4620 光刻胶具有工艺简单、与酸性铜电镀液兼容的优点，采用 AZ P46
6、20 光刻胶模微电铸得到 30m 厚的螺旋电感线圈。根据仿真与理论分析确定的结构 尺寸设计了敏感元件的工艺流程，采用光刻、硅各向异性腐蚀、溅射、微电铸、阳极键合等 MEMS 工艺制备了结构尺寸为 8mm 8mm1mm 的敏感元件。 (3) 测得硅基底和玻璃基底上微电铸电感的电感量分别为 1.7975H 和 1.7466H， 接近于电感理论计算值，寄生电容分别为 106.8pF 和 3.5pF，验证了仿真结果。采用网络分析仪、压力控制器、烘箱、压力腔搭建传感器测试平台，测试了 LC 无线压力敏感元件的频率 -压力特性。测得敏感元件的灵敏度大于 0.04MHz/kPa，非线性误差小于 2.8%，迟
7、滞误差为 0.16%，温度漂移为 0.002MHz/，耦合距离最大为 10mm。 关键词： 无线压力传感器， LC 谐振 厦门大学博硕士论文摘要库Abstract II ABSTRACT The LC resonant wireless pressure sensor has broad application prospects in the harsh environments such as biomedical, aerospace, and industrial controlling, since it requires no power supply and transfers
8、sensor signal wirelessly by inductive coupling. At present, the LC resonant wireless pressure sensor is mainly fabricated by LTCC technology or HTCC technology. It has large sensor size, low sensitivity, and the inductor coil outside of structure is susceptible to external environment, which limits
9、its practicability. MEMS technology enables small size, large sensitivity, embedded LC resonant wireless pressure sensors, and enhances the utility of the LC resonant wireless pressure sensor. This paper presents an intrinsically packaged LC wireless pressure sensor based on MEMS technology, the mai
10、n work is as follows: (1) Combined with MEMS technology, presents two intrinsically packaged LC wireless pressure sensing element structures, uses the finite element simulation method and moments EM simulation method to compare the performance of two structures from the structural and electrical asp
11、ects. The second structure is proved to have higher sensitivity and is chosen to be the implementation scheme. Greenhouse formula is applied to analyze the influence of the spiral inductor dimension parameters on performance of the sensing element, and optimize the dimension parameters. The EM simul
12、ation with ADS momentum is made to validate the Greenhouse formula. (2) The performance of micro- electroforming molds manufactured by SU-8 photoresist and AZ P4620 photoresist is compared. AZ P4620 photoresist has simpler process and better compatibility with acidic copper plating solution. 30 m th
13、ick copper spiral inductors are obtained utilizing micro electroforming mold fabricated by AZ P4620 photoresist. Fabrication process of the LC resonant wireless pressure sensing element structure is designed and completed, with the structure size of 8mm8mm1mm. (3) The spiral inductors on the silicon
14、 substrate and the glass substrate are measured. The inductance is 1.7975 H and 1.7466 H respectively, which is close to the calculated value. And the parasitic capacitance is 106.8 pF and 3.5 pF, which proves the substrate has influence on parasitic capacitance. A frequency-pressure performance tes
15、t system is made to measure the resonant 厦门大学博硕士论文摘要库Abstract III frequency-pressure characteristic of the sensing element. The measured sensitivity is greater than 0.04 MHz/kPa, linearity error is less than 2.8%, hysteresis error is 0.16%, the temperature drift is 0.002 MHz/ , and the coupled dista
16、nces is up to 10 mm. Keywords: wireless pressure sensor, LC resonance 厦门大学博硕士论文摘要库目 录 IV 目 录 摘 要 . I 目 录 IV 第一章 绪论 1 1.1 微机电系统及压力传感器简介 1 1.2 LC 谐振无线压力传感器概述 . 3 1.2.1 LC 谐振无线压力传感器分类 . 3 1.2.2 LC 谐振无线压力传感器国内外研究进展 . 4 1.3 本论文研究目标和章节安排 9 第二章 LC 内嵌式无线压力敏感元件的设计 12 2.1 LC 谐振无线压力敏感元件的工作原理 . 12 2.2 敏感元件结构方案与
17、优化 13 2.3 平面螺旋电感参数化设计 . 16 2.3.1.平面螺旋电感 . 16 2.3.2. Greenhouse 算法 . 18 2.3.3 几何参数对平面螺旋电感性能的影响 19 2.3.4 螺旋电感的仿真验证及基底对螺旋电感寄生电容的影响 22 2.4 LC 谐振无线压力敏感元件的检测原理 . 25 2.5 本章小结 . 28 第三章 LC 内嵌式无线压力敏感元件的制备 30 3.1 工艺流程及版图设计 30 3.2 敏感元件的制备 32 3.2.1 阶梯凹槽、敏感压力膜的湿法腐蚀成形 32 3.2.2 电容金属极板成形 37 厦门大学博硕士论文摘要库目 录 V 3.2.3 大
18、厚度铜线圈的微电铸成形 39 3.2.4 密封腔的封闭和 LC 谐振电路的连接 . 45 3.3 本章小结 47 第四章 螺旋电感及敏感元件测试 . 49 4.1 螺旋电感测试 . 49 4.2 敏感元件测试 . 51 4.2.1 常温下谐振频率 -压力特性测试 . 51 4.2.2 温度特性测试 . 53 4.2.3 耦合距离的测试 55 4.3 敏感元件失效原因的分析 56 4.4 本章小结 . 59 第五章 总结与展望 . 61 5.1 总结 . 61 5.2 展望 . 62 参考文献 . 63 致 谢 . 67 攻读硕士期间发表的论文 . 68 厦门大学博硕士论文摘要库Contents
19、 VI Contents ABSTRACT II Contents . VI Chapter 1 Introduction 1 1.1 Introduction of MEMS and pressure sensors 1 1.2 Overview of the LC resonant wireless pressure sensor . 3 1.2.1 Types of the LC resonant pressure sensor . 3 1.2.2 Situation of the LC resonant pressure sensor 4 1.3 The objective and c
20、ontent of the research . 9 Chapter 2 Design of the LC resonant wireless pressure sensor . 12 2.1 Priciple of the LC resonant wireless pressure sensor 12 2.2 Optimization of the resonant wireless pressure sensor structure 13 2.3 Design of the planar coil indcutor 16 2.3.1. Planar coil inductor theory
21、 . 16 2.3.2. Greenhouse formula . 18 2.3.3 Influence of dimension parameters on performace . 19 2.3.4 3 Influence of substrate on parasitic capacitance 22 2.4 Measurement principle of the LC resonant wireless pressure sensor . 25 2.5 Summary . 28 Chapter 3 Fabrication of the LC resonant wireless pre
22、ssure sensor 30 3.1 Design of fabrication process and masks . 30 3.2 Fabrication of the sensing element . 32 3.2.1 Wet etching of the recess and pressure-sensing diaphragm 32 3.2.2 Pattern of the capacitor electrodes 37 3.2.3 Micro-electroplating of the thick copper coil inductor . 39 3.2.4 Sealing
23、of the cavity and connection of the LC resonant circuit 45 3.3 Summary . 47 厦门大学博硕士论文摘要库Contents VII Chapter 4 Measurement of the planar coil and the sensing element 49 4.1 Measurement of the planar coil 49 4.2 Measurement of the sensing element 51 4.2.1 Measurement of the frequency-pressure charact
24、eristic at room temperature . 51 4.2.2 Measurement of the temperature feature 53 4.2.3 Measurement of the coupling distance 55 4.3 Analysis of the LC sensor failure cause 56 4.4 Summary . 59 Chapter 5 Summary of works and future prospects 61 5.1 Summary of works . 61 5.2 Future prospects . 62 Refere
25、nces . 63 Acknowledgments 67 Publications 68 厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 微机电系统及压力传感器简介 上世纪 6080 年代，半导体集成电路技术衍生出了微机电系统（ Micro-electro-mechanical Systems，简称 MEMS） 。随后， MEMS 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。 MEMS 器件体积小，重量轻，成本低，集成度高，与同类型传统器件相比发展潜力巨大。采用 MEMS 技术制作的微传感器和微执行器等广泛应用于航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、国防等
26、领域，图 1-1 为常见的 MEMS 器件类型。根据 Yole Development 公司的预测，到 2017年，整个 MEMS 市场规模将达到 210 亿美元，其中 MEMS 压力传感器的市场规模将达到 22.4 亿美元，占整个 MEMS 产业的 11%，年增长率为 16.2%。 图 1-1 MEMS 器件类型 MEMS 压力传感器按工作原理可分为：压阻式、谐振和电容式1。压阻式压力传感器是最早采用 MEMS 工艺制备的压力传感器，主要由压力敏感膜和制作在膜上的压敏电阻构成，压力敏感膜受压后应力变化引起压敏电阻变化。压阻式压力传感器制备工艺和接口电路简单， 线性度高， 输出电压信号易检测，
27、 成本低，但灵敏度较低，温度性能差，常用于对精度要求不高的场合。谐振压力传感器由振动膜或膜上的振动结构组成，压力作用引起压力膜或振动结构的谐振频率变化。谐振压力传感器灵敏度高，功耗低，抗干扰性好，但结构复杂。电容式压力厦门大学博硕士论文摘要库LC 内嵌式无线压力传感器研究 2 传感器通常包括两个相对的平行极板，极板受压后变形，极板之间的电容产生变化。电容式压力传感器具有结构简单，灵功耗低，噪声小，灵敏度高，温度漂移小的优点，适用于高温环境的压力测量2。 图 1-2 无线式压力传感器工作原理（ a）有源； （ b）无源 无线压力传感器是近年来压力传感器发展的一个新趋势， 传感器与信号读取电路无需
28、导线连接，可以应用于有线压力传感器无法使用的场合。无线式压力传感器分为有源和无源两种形式，其工作原理如图 1-2 所示。其中有源无线式压力传感器3-5是在传统压力传感器的基础上集成数据采集处理模块、无线收发模块，并采用电池或无线电能传输模块供电，虽然传感距离可达数百米，但系统复杂，对封装要求高，可靠性低，不适用于高温、腐蚀等环境恶劣以及空间狭小场合的压力测量。无源无线式压力传感器无需外加电源，传感器靠自身耦合环境中的机械能、电磁能等形式的能量来提供能量6，主要包括声表面波（ surface acoustic wave，简 称 SAW）无线压力传感器和 LC（电感电容）谐振无线压力传感器两类。S
29、AW 压力传感器以压电基片作为压力振动膜，由于外加压力引起振动膜变形及其表面的应力 /应变的分布变化，使 SAW 传播速度发生改变，从而引起激励信号与接收信号在时间上的延迟或频率、相位上的变化7, 8，虽 然 SAW 压力传感器的传输距离可达几十厘米，但是输出信号受温度、湿度等环境因素的影响较大，且输出信号频率高达 GHz，增加了信号读取电路的实现难度。 LC 谐振压力传感器一般可以看成是在传统电容式传感器的基础上并联一个电感， 组成 LC 谐振电路。外部施加压力时，谐振电路中电容改变引起谐振频率的变化，信号读取电路能够通过电感耦合无线检测谐振频率值，实现压力的测量。 LC 谐振压力传感器继承
30、厦门大学博硕士论文摘要库Degree papers are in the “Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database”. Fulltexts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on http:/ and submit requests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-CALIS member libraries, please mail to for delivery details. 厦门大学博硕士论文摘要库
