一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器

1.本发明属于微电子器件技术领域，尤其涉及一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器。


背景技术：

2.温度传感器是开发最早、应用最广的一类传感器,是将温度变化转换为电学量变化，其种类繁多、应用广泛。温度传感器可按照原理分为四类，分别是电阻式、热敏电阻式、热电偶式及微型温度传感器。微型温度传感器是mems工艺制备的新型温度传感器，与传统的传感器相比有体积小、质量轻、固有热容小等优点，在测量温度方面相对传统温度传感器有很大的优势。同时微型温度传感器与mems工艺兼容，可实现微型化、集成化设计，因此在气象检测、工业控制、安全警报等领域具有广泛的应用前景，但现有温度传感器存在功耗较大、灵敏度低、测量误差大等问题。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器,以解决现有温度传感器高功耗、灵敏度低、测量误差大、设计不灵活的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
5.一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器，包括衬底，蜂窝形结构梁，蜂窝形结构梁锚区，第一v形梁支梁、第二v形梁支梁、第三v形梁支梁、第四v形梁支梁，第一v形梁锚区、第二v形梁锚区、第三v形梁锚区、第四v形梁锚区，第一v形梁推动杆、第二v形梁推动杆，折纸结构梁，第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构、第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构，折纸结构梁锚区，金属电极和平面电感；
6.所述第一v形梁支梁、第二v形梁支梁，第一v形梁锚区、第二v形梁锚区和第一v形梁推动杆组成第一v形梁；所述第三v形梁支梁、第四v形梁支梁，第三v形梁锚区、第四v形梁锚区和第二v形梁推动杆组成第二v形梁；
7.蜂窝形结构梁锚区放置于衬底上，蜂窝形结构梁的x轴方向两端分别与第一v形梁推动杆和第二v形梁推动杆相连接，蜂窝形结构梁y轴正方向的一端与蜂窝形结构梁锚区相连接，第一v形梁支梁的两端分别与第一v形梁锚区和第一v形梁推动杆相连接，第二v形梁支梁的两端分别与第二v形梁锚区和第一v形梁推动杆相连接，第三v形梁支梁的两端分别与第三v形梁锚区和第二v形梁推动杆相连接，第四v形梁支梁的两端分别与第四v形梁锚区和第二v形梁推动杆相连接，折纸结构梁锚区放置于衬底上，折纸结构梁的两端分别与蜂窝形结构梁y轴负方向的一端和折纸结构梁锚区相连接，第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构、第三折叠薄膜结构和第四折叠薄膜结构对称分布于折纸结构梁上，第一折叠薄膜结构和第二折叠薄膜结构位于折纸结构梁的上表面，第三折叠薄膜结构和第四折叠薄膜结构位于折纸结构梁的下表面，金属电极位于折纸结构梁下方，平面电感的两端分别与金属电极和折纸结构梁锚区相连接；所述折纸结构梁悬空于衬底上；所述金属电极和平面电感放置
于衬底上。
8.进一步的，所述第一折叠薄膜结构和第二折叠薄膜结构是关于折纸结构梁的y轴方向对称，所述第三折叠薄膜结构和第四折叠薄膜结构是关于折纸结构梁的y轴方向对称，所述第一折叠薄膜结构和第三折叠薄膜结构位于靠近蜂窝形结构梁的位置，所述第二折叠薄膜结构和第四折叠薄膜结构位于靠近折纸结构梁锚区的位置。
9.进一步的，所述蜂窝形结构梁是中心对称的菱形结构，蜂窝形结构梁悬空于衬底上。
10.进一步的，第一v形梁支梁和第二v形梁支梁是关于第一v形梁推动杆的y轴方向对称，第一v形梁锚区和第二v形梁锚区是关于第一v形梁推动杆的y轴方向对称，第一v形梁支梁、第二v形梁支梁和第一v形梁推动杆悬空于衬底上，第一v形梁锚区和第二v形梁锚区放置于衬底上。
11.进一步的，第三v形梁支梁和第四v形梁支梁是关于第二v形梁推动杆的y轴方向对称，第三v形梁锚区和第四v形梁锚区是关于第二v形梁推动杆的y轴方向对称，第三v形梁支梁、第四v形梁支梁和第二v形梁推动杆悬空于衬底上，第三v形梁锚区和第四v形梁锚区放置于衬底上。
12.进一步的，第一v形梁和第二v形梁是关于蜂窝结构梁的x轴方向对称。
13.进一步的，所述金属电极的尺寸是200*100μm2。
14.一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器使用方法，当环境温度升高时，第一v形梁支梁、第二v形梁支梁、第三v形梁支梁和第四v形梁支梁受热膨胀，推动第一v形梁推动杆和第二v形梁推动杆实现小位移移动，挤压蜂窝形结构梁，通过蜂窝形结构梁实现y方向的位移放大；y方向上蜂窝形结构梁的大位移挤压折纸结构梁，使得折纸结构梁上的第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构、第三折叠薄膜结构和第四折叠薄膜结构发生折叠，导致折纸结构梁向下弯曲，与金属电极距离减小，折纸结构梁和金属电极之间的电容增大，使得电容与平面电感组成的lc谐振电路的谐振频率发生变化，测量lc谐振频率实现环境温度的检测。
15.本发明的一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器，具有以下优点：本发明所述的一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器，在mems技术的基础上结合了位移放大结构和折纸结构，通过v形梁和蜂窝形结构梁实现温度变化转变为大位移变化，再利用折纸结构实现从平面结构到立体结构的转化，实现lc谐振电路的谐振频率变化，具有易于测量的优势。同时，基于折纸结构的温度传感器还具有结构简单、可靠性高、灵敏度高、工艺兼容等优势。
附图说明
16.图1为本发明的基于折纸结构的高灵敏度温度传感器的俯视图；
17.图2为本发明的基于折纸结构的高灵敏度温度传感器的a-a
′
剖面图；
18.图3为本发明的基于折纸结构的高灵敏度温度传感器的b-b
′
剖面图；
19.图中标记说明：1、衬底；21、蜂窝形结构梁；22、蜂窝形结构梁锚区；311、第一v形梁支梁；312、第二v形梁支梁；313、第三v形梁支梁；314、第四v形梁支梁；321、第一v形梁锚区；322、第二v形梁锚区；323、第三v形梁锚区；324、第四v形梁锚区；331、第一v形梁推动杆；332、第二v形梁推动杆；41、折纸结构梁；421、第一折叠薄膜结构；422、第二折叠薄膜结构；
423、第三折叠薄膜结构；424、第四折叠薄膜结构；43、折纸结构梁锚区；5、金属电极；6、平面电感。
具体实施方式
20.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器做进一步详细的描述。
21.参见图1、图2和图3，本发明提供了一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器，该温度传感器包括衬底1，蜂窝形结构梁21，蜂窝形结构梁锚区22，第一v形梁支梁311、第二v形梁支梁二312、第三v形梁支梁313、第四v形梁支梁314，第一v形梁锚区321、第二v形梁锚区322、第三v形梁锚区323、第四v形梁锚区324，第一v形梁推动杆331、第二v形梁推动杆332，折纸结构梁41，第一折叠薄膜结构421、第二折叠薄膜结构422、第三折叠薄膜结构423、第四折叠薄膜结构424，折纸结构梁锚区43，金属电极5和平面电感6。所述蜂窝形结构梁21是中心对称的菱形结构，蜂窝形结构梁21悬空于衬底1上，蜂窝形结构梁锚区22放置于衬底1上，蜂窝形结构梁21的x轴方向两端分别与第一v形梁推动杆331和第二v形梁推动杆332相连接，蜂窝形结构梁21y轴正方向的一端与蜂窝形结构梁锚区22相连接，第一v形梁支梁311、第二v形梁支梁312，第一v形梁锚区321、第二v形梁锚区322和第一v形梁推动杆331组成第一v形梁，第一v形梁支梁311和第二v形梁支梁312是关于第一v形梁推动杆331的y轴方向对称，第一v形梁锚区321和第二v形梁锚区322是关于第一v形梁推动杆的331的y轴方向对称，第一v形梁支梁311、第二v形梁支梁312和第一v形梁推动杆331悬空于衬底1上，第一v形梁锚区321和第二v形梁锚区322放置于衬底1上，第一v形梁支梁311的两端分别与第一v形梁锚区321和第一v形梁推动杆331相连接，第二v形梁支梁312的两端分别与第二v形梁锚区322和第一v形梁推动杆331相连接，第三v形梁支梁313、第四v形梁支梁314，第三v形梁锚区323、第四v形梁锚区324和第二v形梁推动杆332组成第二v形梁，第三v形梁支梁313和第四v形梁支梁314是关于第二v形梁推动杆332的y轴方向对称，第三v形梁锚区323和第四v形梁锚区324是关于第二v形梁推动杆332的y轴方向对称，第三v形梁支梁313、第四v形梁支梁314和第二v形梁推动杆332悬空于衬底1上，第三v形梁锚区323和第四v形梁锚区324放置于衬底1上，第三v形梁支梁313的两端分别与第三v形梁锚区323和第二v形梁推动杆332相连接，第四v形梁支梁314的两端分别与第四v形梁锚区324和第二v形梁推动杆332相连接，第一v形梁和第二v形梁是关于蜂窝结构梁21的x轴方向对称，折纸结构梁41悬空于衬底1上，折纸结构梁锚区43放置于衬底1上，折纸结构梁41的两端分别与蜂窝形结构梁21y轴负方向的一端和固定的金属锚区5相连接，第一折叠薄膜结构421、第二折叠薄膜结构422、第三折叠薄膜结构423和第四折叠薄膜结构424对称分布于折纸结构梁41上，第一折叠薄膜结构421和第二折叠薄膜结构422位于折纸结构梁41的上表面，第三折叠薄膜结构423和第四折叠薄膜结构424位于折纸结构梁41的下表面，金属电极5的尺寸是200*100μm2，金属电极5放置于衬底1上，金属电极5位于折纸结构梁41下方，平面电感6放置于衬底1上，平面电感6的两端分别与金属电极5和折纸结构梁锚区43相连接。
22.该温度传感器的使用方法是：当环境温度升高时，第一v形梁支梁311、第二v形梁支梁312、第三v形梁支梁313和第四v形梁支梁314受热膨胀，推动第一v形梁推动杆331和第二v形梁推动杆332实现小位移移动，挤压蜂窝形结构梁21，通过蜂窝形结构梁21实现y方向
的位移放大。y方向上蜂窝形结构梁21的大位移挤压折纸结构梁41，使得折纸结构梁41上的第一折叠薄膜结构421、第二折叠薄膜结构422、第三折叠薄膜结构423和第四折叠薄膜结构424发生折叠，导致折纸结构梁41向下弯曲，与金属电极5距离减小，折纸结构梁41和金属电极5之间的电容增大，使得电容与平面电感6组成的lc谐振电路的谐振频率发生变化，测量lc谐振频率实现环境温度的检测。因此该温度传感器具有灵敏度高、检测误差小、工艺兼容、结构新颖等优势。
23.该温度传感器能够通过控制v形梁和蜂窝形结构梁实现位移放大驱动，再利用折纸结构梁将平面结构转变为立体结构，完成温度-位移-电容形式转化，因此具有灵敏度高、检测误差小等优势。
24.本发明中的一种基于折纸结构的高灵敏度温度传感器不同于其他的温度传感器，该温度传感器具有以下主要特点：一、v形梁与蜂窝形结构梁组成位移放大驱动结构，实现大范围的位移放大，减小了检测误差；二、折纸结构梁实现平面结构到立体结构的转化，增大与金属电极间的电容变化量，提高了灵敏度；三、该温度传感器的制作无需特殊的材料并且与传统mems制造技术兼容，可以满足高可靠、微型化的应用需求。
25.区分是否为该结构的标准如下：
26.(a)采用v形梁和蜂窝形结构梁组成位移放大驱动结构，
27.(b)采用折纸结构梁实现平面结构到立体结构的转化，
28.(c)折纸结构梁和金属电极组成的电容和平面电感构成lc谐振电路。
29.满足以上三个条件的结构即应视为该基于折纸结构的高灵敏度温度传感器。
30.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。