基于无源超高频射频识别标签的湿度传感器设计-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)188402基于无源超高频射频识别标签的湿度传感器设计冰邓芳明1)2)十何怡刚)佐磊)李兵)吴可汗)1)(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥290009)2)(华东交通大学电气与电子工程学院，南昌330013)(2014年4月1日收到；2014年5月20日收到修改稿)针对无源超高频射频识别传感器标签大规模运用的需求，采用中芯国际0．35岫互补金属氧化物半导体(CM0S)工艺设计并制造了一种低成本、低功耗的湿度传感器．湿度传感器单元采用聚酰亚胺作为

2、感湿材料，利用顶层金属层制作叉指结构电极，制造过程与标准CM0S制造工序兼容，无需任何后处理工艺．接口电路部分基于锁相环原理，采用全数字电容数字直接转换结构，能够工作在接近工艺阈值电压下．后期测试结果显示，该湿度传感器在常温下灵敏度为36．5fF％RH，最大回滞偏差为7％，响应时间为20ms，0．6V电源电压下消耗2．1功率．关键词：湿度传感器，电容式传感器接口电路，锁相环，射频识别PACS：84．40．—x．07．07．DfDOI：10．7498／aps．63．188402定直流电压信号．上电复位电路为接口电路提供复

3、1引言位信号．传感器信号经接口电路转换为数字信号，此数字信号经调制电路转换为超高频调制信号并射频识别(RFID)技术作为一种先进的自动识通过天线反射发送回阅读器．由此工作原理可知，别和数据采集技术，被公认为是21世纪最有发展无源标签工作的能量来源于阅读器，因此低功耗是前途的信息技术之一，己经成功地应用到生产制无源标签设计中最重要的性能指标，无源标签的功造、物流管理、公共安全等各个领域【，．一般来耗越低，无线工作的距离越大．说，RFID系统可以分为有源和无源两类．由于无源RFID标签无须内置电源供电，成本低且灵活性强，因

4、此更广泛地用于实际生产和生活中[3-51．近年来，得益于微电子技术的发展，在无源RFID标签中集成传感器功能的研究成为一种趋势【6_g]．RFID传感器标签不仅拓宽了RFID标签的应用范围，而且有利于降低系统成本、减小电路面积及提高系统稳定性．图1为一典型无源超高频(UHF1RFID传感图1无源UHFRFID传感器标签原理器标签原理图．天线将RFID阅读器所发出的无线信号接收进入标签，且通过匹配网络达到最佳接收湿度传感器被广泛应用于环境检测、工艺控状态．接收的无线信号经整流电路与稳压电路，转制、食品生产、生物电子及制药

5、中[10]．湿度传感器换成接口电路和上电复位电路正常工作所需的稳通常检测的是相对湿度而不是绝对湿度．相对湿度国家杰出青年科学基金(批准号：50925727)、国防科技预研项目(批准号：Cl120110004)、教育部科学技术研究重大项目基金(批准号：313018)和安徽省科技计划重点项目(批准号：1301022036)资助的课题．十通讯作者．E．mail：13755633966~163．corn◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt：／／／wulixb．hy．ac．c他物理学报ActaPh

6、ys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)188402是指在一定压力和温度下空气中水汽压与饱和水2湿度传感器单元汽压的百分比．湿度传感器制造原理可以分为电容式、电阻式、吸湿式、重力式等【l1】．大多数商用湿度在CMOS工艺中，电容式湿度传感器可以采传感器采用电容式原理，这是因为电容式湿度传感用项层金属层中制作叉指结构电极，并填入聚酰亚器具有低功耗(无静态功耗)、大动态范围、接口电路胺作为感湿材料．由于这种制作技术具有高度的可简单、容易集成等优点．由于具有良好的吸湿性及复制性，且与标准CMOS工序兼容，适合大规模

7、制造[25]．工艺兼容性、聚酰亚胺常常作为微机电系统和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中电容式湿度传感湿材料的介电常数可以采用半经验的感器的感湿材料．CMOS工艺可以很容易地将传感Looyenga公式【0】表示：器与接口电路、信号处理电路及存储器等电路集成E。=f(，y(￡。～E)+￡)l。，(1)在一起．由于集成的接口电路具有更高的准确性、式中￡。表示聚酰亚胺吸水后的介电常数，表示更小的芯片面积及更低的制造成本，采用CMOS聚酰亚胺中的水含量，的、，表示干燥的聚酰亚胺介工艺制造湿度传感器具有明显的优势[12-l6

8、]．对于电常数，而￡wt。表示水的介电常数．其中7与相大规模应用的湿度传感器来说，低成本是必须的．对湿度关系可以采用Daubinin公式[27]为了降低成本，CMOS后处理工艺及封装等必须降至最低．但是，文献『12—15]制造工艺中都采用了-y=()R日)，(2)后处理工序，文献『161采用了标准CM0S工艺中不其中表示在温度To