一種基于超材料結構的壓力傳感器制造技術

本發明專利技術公開了一種基于超材料結構的壓力傳感器，該壓力傳感器包括基板、輸入微帶信號線一、輸入微帶信號線二、金屬?絕緣層?金屬（MIM）電容的下極板、金屬?絕緣層?金屬（MIM）電容的絕緣層、金屬?絕緣層?金屬（MIM）電容的上極板、開路短截線電感、微帶信號線三、微波功率合成器的輸入端、微波功率合成器的輸出端、微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線、微波功率合成器的隔離電阻、微帶線地線、壓力感應腔體；該壓力傳感器采用金屬?絕緣層?金屬（MIM）電容感應壓力的變化，并通過微波功率合成器合成的微波功率變化實現壓力測量，具有靈敏度高、體積小、測量范圍大、測量誤差小的優勢。

A pressure sensor based on supermaterial structure

The invention discloses a pressure sensor based on the structure of the material, the pressure sensor includes a substrate, a microstrip line, input signal input signal line two, metal microstrip insulating layer metal (MIM) under the plate, metal capacitor insulation layer metal (MIM) insulating layer, the insulating layer metal metal capacitance (MIM) isolation resistance output capacitor plate, open stub inductor, microstrip line three, microwave power combiner, microwave power combiner input terminal, microwave power combiner is connected with the signal line, microstrip microwave power combiner, microstrip line isolation resistance wire, a pressure sensing chamber; the pressure sensor the metal insulating layer metal (MIM) change of capacitance induction pressure, and pressure measurement is achieved by changing the microwave power microwave power combiner synthesis It has the advantages of high sensitivity, small volume, large measuring range and small measurement error.

【技術實現步驟摘要】
一種基于超材料結構的壓力傳感器
本專利技術是一種基于超材料結構的壓力傳感器，屬于微電子器件

技術介紹
壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。近年來，壓力傳感器的發展越來越趨向于微型化。微壓力傳感器是采用半導體材料和MEMS工藝制造的新型壓力傳感器。與傳統壓力傳感器相比，微壓力傳感器具有精度高、敏捷度高、動態特性好、體積小、耐侵蝕、成本低等長處。近年來，我國物聯網取得了長足發展，而傳感器作為物聯網中的必要組成部分，也必將得到進一步推廣和應用，在這樣的形勢下，開展壓力傳感器產業化方面的工作是非常有意義的。
技術實現思路
針對上述問題，本專利技術提供了一種基于超材料結構的壓力傳感器，該壓力傳感器利用超材料結構的相移輸出變化導致的微波功率合成器合成效率變化的原理實現，當壓力發生變化時，放置于壓力感應腔體上方的金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容會發生變形導致電容值變化，這會使由該電容和開路短截線電感構成的超材料結構產生相應的相移輸出變化，從而導致兩路分別進入微波功率合成器輸入端的微波信號不同相位，進而影響整個微波功率合成器的合成效率，通過檢測微波功率合成器的輸出端輸出微波信號的功率大小，實現壓力的測量。采用該結構可以實現高靈敏度、低誤差和微波功率輸出，并且能與Si或GaAs工藝相兼容，解決在材料、工藝、可靠性、可重復性和生產成本等諸多方面的問題，從而為實現基于超材料結構的壓力傳感器在集成電路中的產業化應用提供了支持和保證。為達到上述目的，本專利技術的技術方案如下：一種基于超材料結構的壓力傳感器，該壓力傳感器包括基板、輸入微帶信號線一、輸入微帶信號線二、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板、開路短截線電感、微帶信號線三、微波功率合成器的輸入端、微波功率合成器的輸出端、微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線、微波功率合成器的隔離電阻、微帶線地線、壓力感應腔體；所述微帶線地線位于基板的下表面，壓力感應腔體位于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容下方，其余部分放置于基板的上表面，輸入微帶信號線一與微波功率合成器的輸入端連接，輸入微帶信號線二與金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板連接，金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層位于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板上方，金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板位于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層上方，金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板與微帶信號線三一端連接，微帶信號線三另一端與微波功率合成器的輸入端連接，微波功率合成器的輸入端與微波功率合成器的輸出端連接，微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線一端分別與微波功率合成器的輸入端連接，另一端與微波功率合成器的隔離電阻連接，開路短截線電感與輸入微帶信號線二、微帶信號線三連接。當壓力傳感器處于恒定的基準壓力下時，同相位、同頻率、同幅度的兩路微波信號分別進入輸入微帶信號線一和輸入微帶信號線二，設計使得由金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容和開路短截線電感構成的超材料結構和輸入微帶信號線一具有相同的相移，此時兩路同相位的微波信號會分別進入微波功率合成器的輸入端，并被無損耗的合成為一個微波信號由微波功率合成器的輸出端輸出；當壓力發生變化時，由于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容下方為壓力感應腔體，使得金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容發生變形導致電容值變化，這會使由該電容和開路短截線電感構成的超材料結構產生相應的相移輸出變化，從而導致兩路分別進入微波功率合成器輸入端的微波信號不同相位，進而影響整個微波功率合成器的合成效率，通過檢測微波功率合成器的輸出端輸出微波信號的功率大小，實現壓力的測量。超材料結構的相移公式為：其中，Δφ是相移變化，f是輸入微波信號頻率，L是開路短截線電感量，C是基準壓力下的基準金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的電容量，ΔC是壓力變化時金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的電容變化量。該壓力傳感器結構簡單，整個傳感器通過微電子加工工藝，結構尺寸的精度可以達到較高水平，體積大幅縮小，有利于實現傳感器的小型化；該壓力傳感器采用金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容感應壓力的變化，并通過微波功率合成器合成的微波功率變化實現壓力測量，具有靈敏度高、測量范圍大、測量誤差小的優勢。本專利技術的有益效果是：本專利技術中的基于超材料結構的壓力傳感器，突破了傳統檢測原理的思維限制，尋找到了基于合成微波功率檢測的實現方法，靈敏度和體積都有較大的提升。同時，超材料結構的壓力傳感器還具有結構簡單、微波功率輸出測量范圍大、測量誤差小、工藝兼容等優勢。附圖說明圖1是基于超材料結構的壓力傳感器的結構示意圖。圖2是基于超材料結構的壓力傳感器A-A′剖面圖。其中有：基板1、輸入微帶信號線一2、輸入微帶信號線二3、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板4、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層5、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板6、開路短截線電感7、8、微帶信號線三9、微波功率合成器的輸入端10、11、微波功率合成器的輸出端12、微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線13、14、微波功率合成器的隔離電阻15、微帶線地線16、壓力感應腔體17。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。參見圖1和圖2，本專利技術提供了一種基于超材料結構的壓力傳感器，該壓力傳感器包括基板1、輸入微帶信號線一2、輸入微帶信號線二3、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板4、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層5、金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板6、開路短截線電感7、8、微帶信號線三9、微波功率合成器的輸入端10、11、微波功率合成器的輸出端12、微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線13、14、微波功率合成器的隔離電阻15、微帶線地線16、壓力感應腔體17；所述微帶線地線16位于基板1的下表面，壓力感應腔體17位于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容下方，其余部分放置于基板1的上表面，輸入微帶信號線一2與微波功率合成器的輸入端11連接，輸入微帶信號線二3與金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板4連接，金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層5位于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的下極板4上方，金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板6位于金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的絕緣層5上方，金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的上極板6與微帶信號線三9一端連接，微帶信號線三9另一端與微波功率合成器的輸入端10連接，微波功率合成器的輸入端10、11與微波功率合成器的輸出端12連接，微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線13、14一端分別與微波功率合成器的輸入端10、11連接，另一端與微波功率合成器的隔離電阻15連接，開路短截線電感7、8與輸入微帶信號線二3、微帶信號線三9連接。當壓力傳感器處于恒定的基準壓力下時，同相位、同頻率、同幅度的兩路微波信號分別進入輸入微帶信號線一2和輸入微帶信號線二3，設計使得由金屬-絕緣層-金屬(MIM本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于超材料結構的壓力傳感器，其特征在于：包括基板（1）、輸入微帶信號線一（2）、輸入微帶信號線二（3）、MIM電容的下極板（4）、MIM電容的絕緣層（5）、MIM電容的上極板（6）、開路短截線電感（7）（8）、微帶信號線三（9）、微波功率合成器的輸入端（10）（11）、微波功率合成器的輸出端（12）、微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線（13）（14）、微波功率合成器的隔離電阻（15）、微帶線地線（16）、壓力感應腔體（17），微帶線地線（16）位于基板（1）的下表面，壓力感應腔體（17）位于MIM電容下方，其余部分放置于基板（1）的上表面，輸入微帶信號線一（2）與微波功率合成器的輸入端（11）連接，輸入微帶信號線二（3）與MIM電容的下極板（4）連接，MIM電容的絕緣層（5）位于MIM電容的下極板（4）上方，MIM電容的上極板（6）位于MIM電容的絕緣層（5）上方，MIM電容的上極板（6）與微帶信號線三（9）一端連接，微帶信號線三（9）另一端與微波功率合成器的輸入端（10）連接，微波功率合成器的輸入端（10）（11）與微波功率合成器的輸出端（12）連接，微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線（13）（14）一端分別與微波功率合成器的輸入端（10）（11）連接，另一端與微波功率合成器的隔離電阻（15）連接，開路短截線電感（7）（8）與輸入微帶信號線二（3）、微帶信號線三（9）連接。...

【技術特征摘要】
1.一種基于超材料結構的壓力傳感器，其特征在于：包括基板（1）、輸入微帶信號線一（2）、輸入微帶信號線二（3）、MIM電容的下極板（4）、MIM電容的絕緣層（5）、MIM電容的上極板（6）、開路短截線電感（7）（8）、微帶信號線三（9）、微波功率合成器的輸入端（10）（11）、微波功率合成器的輸出端（12）、微波功率合成器的隔離電阻連接用微帶信號線（13）（14）、微波功率合成器的隔離電阻（15）、微帶線地線（16）、壓力感應腔體（17），微帶線地線（16）位于基板（1）的下表面，壓力感應腔體（17）位于MIM電容下方，其余部分放置于基板（1）的上表面，輸入微帶信號線一（2）與微波功率合成器的輸入端（11）連接，輸入微帶信號線二（3）與MIM電容的下極板（4）連接，MIM電容的絕緣層（5）位于MIM電容的下極板（4）上方，MIM電容的上極板（6）位于MIM電容的絕緣層（5）上方，MIM電容的上極板（6）與微帶信號線三（9）一端連接，微帶信號線三（9）另一端與微波功率合成器的輸入端（10）連接，微波功率合成器的輸入端（10）（11）與微波功率合成器的輸出端（...

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓磊，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32