羅　濤,譚秋林*,熊繼軍,紀(jì)夏夏,王曉龍,薛晨陽(yáng),張文棟

(1.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

LTCC技術(shù)在近些年得到了飛速發(fā)展[1-3]。該技術(shù)起初是用來(lái)制造多層基板,由于技術(shù)成熟、工業(yè)化程度高以及應(yīng)用廣泛等特點(diǎn),LTCC技術(shù)已經(jīng)成為了當(dāng)前無(wú)源器件和系統(tǒng)集成的主流技術(shù)[4]。LTCC主要采用低溫(800 ℃～900 ℃)燒結(jié)瓷料與有機(jī)粘合劑/增塑劑按一定比例混合流延而成,由于其具有優(yōu)良的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性,目前,LTCC技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用在傳感器、執(zhí)行器和微系統(tǒng)中[5-6]。LTCC技術(shù)應(yīng)用在傳感器制造中的典型即為L(zhǎng)TCC壓力傳感器,由于其能應(yīng)用在高溫、高濕和強(qiáng)振環(huán)境中,對(duì)LTCC壓力傳感器的研究主要面向自動(dòng)化、軍工、航空和航天等領(lǐng)域[7-9]。

基于LTCC技術(shù)的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器最早始于Georgia Tech的Allen MG團(tuán)隊(duì),他們最早于1998年提出了“三明治”結(jié)構(gòu)的LTCC壓力傳感器[10]。之后賽爾維亞的一個(gè)研究小組對(duì)結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)[11],同時(shí)也對(duì)基于LTCC的傳感器做了大量的研究工作。國(guó)內(nèi)在基于LTCC技術(shù)的壓力傳感器上起步較晚,中北大學(xué)從2012年起在LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器方面做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果[12-13]。

通常需要對(duì)面向高溫環(huán)境應(yīng)用的傳感器件和系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和算法上進(jìn)行溫度補(bǔ)償,溫漂特性研究作為溫度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)和依據(jù),具有重大意義。本文進(jìn)行了LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的溫漂特性研究,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo),確定了造成傳感器溫漂的主要影響因素,為溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和算法的實(shí)現(xiàn)提供了參考依據(jù)。

1　傳感器原理與結(jié)構(gòu)

基于諧振耦合原理,LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器通過(guò)外部天線與傳感器天線的近場(chǎng)耦合,實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)讀取。其耦合模型如圖1中所示。圖1中La為讀取天線的電感,Ra為讀取天線的寄生電阻,對(duì)應(yīng)有Ls為傳感器天線的電感值,Rs為傳感器的寄生電阻,Cpar為傳感器線圈的寄生電容,Cs為壓力敏感電容,在壓力作用下Cs改變,導(dǎo)致傳感器諧振頻率f0變化。f0的表達(dá)式為:

(1)

圖1　耦合系統(tǒng)模型

在天線端輸入覆蓋傳感器諧振頻率的掃頻信號(hào),通過(guò)提取天線端的阻抗參數(shù),如阻抗實(shí)部和相位,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器諧振頻率變化的提取,從而可以無(wú)線讀取到壓力信號(hào)的變化。當(dāng)掃頻信號(hào)頻率與傳感器頻率相同時(shí),發(fā)生電磁諧振,諧振導(dǎo)致天線端的阻抗參數(shù)出現(xiàn)突變,因此通過(guò)提取天線端的阻抗參數(shù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器諧振頻率的檢測(cè)。通過(guò)提取天線端阻抗相位最小值來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器諧振頻率檢測(cè)的原理可由如下公式表示[14]:

(2)

其中fmin為天線端阻抗相位最小值所對(duì)應(yīng)的頻率值,k讀取天線與傳感器天線的耦合系數(shù),取值范圍為0到1,Q為傳感器的品質(zhì)因素,其值通常為30左右。因此,在讀取距離較遠(yuǎn)時(shí),k很小,而Q值又相對(duì)較大,根據(jù)式(2)可以近似認(rèn)為fmin=f0。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片

圖2為L(zhǎng)TCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖。采用多層互聯(lián)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了電感線圈與平行板電容的互聯(lián),玻璃微珠的作用是封堵排氣孔。在制造過(guò)程中,我們?cè)诳涨粌?nèi)填充了犧牲層,這樣可以保證空腔的平整度和傳感器的靈敏度,因此排氣孔的作用是便于在燒結(jié)過(guò)程中碳膜的充分釋放。在壓力的作用下,空腔兩側(cè)的敏感膜發(fā)生變形,致使平行板電容值Cs變化,從而引起傳感器諧振頻率的變化。

2　高溫測(cè)試

為了研究LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的高溫特性,我們搭建了如圖3所示的高溫測(cè)試系統(tǒng)。用鎢絲繞成線圈天線,將傳感器與鎢線圈保持位置固定,伸入馬弗爐內(nèi)。從鎢線圈的兩端引出鎢絲接在網(wǎng)絡(luò)分析儀上,從而可以實(shí)時(shí)讀取隨爐內(nèi)溫度變化的傳感器諧振頻率值。對(duì)LTCC壓力傳感器在600 ℃和一個(gè)大氣壓內(nèi)的測(cè)試曲線如圖4所示。從圖4可以看出,無(wú)壓力作用時(shí),隨溫度升高,傳感器諧振頻率減小,在600 ℃時(shí),傳感器的諧振頻率由常溫26.34 MHz減小到了23.6 MHz,變化了2.74 MHz,遠(yuǎn)大于在一個(gè)大氣壓力作用下0.66 MHz的頻率減小值。

圖3　高溫測(cè)試系統(tǒng)

圖4　LTCC壓力傳感器溫度響應(yīng)特性曲線與壓力響應(yīng)特性曲線

為了研究造成LTCC壓力傳感器溫漂的主要因素,制作了基于LTCC襯底的片上螺旋和無(wú)腔LTCC傳感器,該無(wú)腔傳感器線圈尺寸與片上電感尺寸相同。無(wú)腔LTCC傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　無(wú)腔LTCC傳感器

采用無(wú)腔LTCC傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,排除了敏感膜變形對(duì)頻率漂移的影響。圖6為無(wú)腔傳感器的諧振頻率溫度特性測(cè)試曲線。圖6中數(shù)據(jù)表明,無(wú)腔傳感器仍存在明顯溫漂,可見(jiàn)造成傳感器溫漂的主要因素并非敏感膜形變。

圖6　無(wú)腔傳感器的高溫測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7為L(zhǎng)TCC基片上螺旋電感的高溫測(cè)試結(jié)果。圖7中的測(cè)試結(jié)果表明,溫度對(duì)傳感器電感值和寄生電容的影響很小,在600 ℃時(shí),電感值的相對(duì)變化率為7.53%,寄生電容的相對(duì)變化率為5.51%。

圖7　電感和寄生電容高溫測(cè)試數(shù)據(jù)

3　溫漂特性分析

假設(shè)平行版電容Cs不隨溫度變化,根據(jù)式(1)可以反推出平行板電容Cs的表達(dá)式為:

(3)

將常溫下測(cè)試所得諧振頻率、電感和寄生電容值代入式(3)可得常溫下Cs的值為97.02 pF。假設(shè)Cs=97.02 pF隨溫度保持不變。由式(1),則有諧振頻率f0的變化僅與Ls和Cpar有關(guān),在假設(shè)條件下,將圖7中隨溫度的測(cè)試數(shù)據(jù)代入式(1)中計(jì)算所得諧振頻率溫漂與圖6中數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

圖8　假設(shè)條件下的諧振頻率溫漂與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較

依據(jù)平行版電容Cs不變假設(shè)計(jì)算所得頻率在600 ℃時(shí)變化了0.442 53 MHz,占實(shí)際測(cè)試變化值的34.8%。由此可見(jiàn),電感和寄生電容值的變化不是造成傳感器溫漂的主要因素,從而確定傳感器的溫漂主要受平行板電容值變化的影響。根據(jù)平行板電容的計(jì)算公式,無(wú)腔傳感器平行板電容Cs可以表達(dá)為:

(4)

其中,ε0為真空介電常數(shù),其值為8.85×10-12F/m。εr為L(zhǎng)TCC材料的相對(duì)介電常數(shù)。A電容極板面積,t為極板間距。在無(wú)腔傳感器中,A和t受結(jié)構(gòu)熱膨脹的影響,杜邦951 LTCC材料的熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/℃,通過(guò)計(jì)算可得,在600 ℃時(shí)A與t的比值相對(duì)于常溫增大了0.000 58%,因此,熱膨脹造成的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的改變可以忽略不計(jì)。因此,可以確定平行板電容值的變化主要受LTCC材料相對(duì)介電常數(shù)變化的影響。

依據(jù)片上平面螺旋電感寄生電容的計(jì)算方法,傳感器的寄生電容可以表達(dá)為[15]:

(5)

在式(5)中,εr0為真空相對(duì)介電常數(shù),取值為1;εr為L(zhǎng)TCC襯底的相對(duì)介電常數(shù),其值隨溫度變化;α和β是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。tc為導(dǎo)線厚度,s為線間距,lg為線圈總長(zhǎng)度,tc、s以及l(fā)g為線圈幾何參數(shù)值,其取值受熱膨脹的影響可以忽略不計(jì)。因此,寄生電容的變化也是由于LTCC材料相對(duì)介電常數(shù)變化所引起的。

將圖6和圖7中數(shù)據(jù)代入式(3)中,可以計(jì)算出Cs隨溫度變化的值。用εr(T)表示LTCC材料在溫度為T時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)值,εr(0)表示常溫時(shí)LTCC材料的相對(duì)介電常數(shù)值,對(duì)于杜邦951 LTCC材料,有εr(0)=7.8。由式(4)可推導(dǎo)得出:

εr(T)=εr(0)·Cs(T)/Cs(0)

(6)

其中Cs(T)為溫度為T時(shí)所對(duì)應(yīng)的平行板電容值,Cs(0)為常溫下的平行板電容值,等于97.02 pF。由式(6)計(jì)算所得杜邦951 LTCC材料相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化的數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9　杜邦951 LTCC材料相對(duì)介電常數(shù)溫度特性

綜合以上分析,可得傳感器溫漂主要受LTCC材料的相對(duì)介電常數(shù)εr變化的影響。

從圖9所示數(shù)據(jù),可得在600 ℃時(shí),杜邦951 LTCC材料的相對(duì)介電常數(shù)由常溫7.8增大到9.04。因此,可以看出利用杜邦951 LTCC材料制備的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的溫漂主要受材料在高溫下相對(duì)介電常數(shù)變化的影響。

4　結(jié)論

本文研究了LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的溫漂特性。搭建高溫測(cè)試系統(tǒng),制作了LTCC基片上螺旋電感和無(wú)腔傳感器,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),得出了LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的溫漂主要受LTCC材料相對(duì)介電常數(shù)變化的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)得出了杜邦951 LTCC材料在600 ℃內(nèi)的相對(duì)介電常數(shù)溫度曲線。結(jié)果表明,杜邦951LTCC材料的相對(duì)介電常數(shù)在600 ℃時(shí)由常溫的7.8增大到9.04。

測(cè)試結(jié)果表明LTCC無(wú)線無(wú)源壓力傳感器在實(shí)際工程應(yīng)用中須具有相應(yīng)的溫度補(bǔ)償方法,能從結(jié)構(gòu)和算法上對(duì)傳感器溫漂進(jìn)行補(bǔ)償,本文的研究結(jié)論為后續(xù)的溫度補(bǔ)償技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]王悅輝,周濟(jì),崔學(xué)民,等.低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)在材料學(xué)上的進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2006,21(2):267-276.

[2]楊邦朝.低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)新進(jìn)展[J].電子元件與材料,2008,27(6):1-5.

[3]嚴(yán)偉.基于LTCC技術(shù)的三維集成微波組件[J].電子學(xué)報(bào),2005,33(11):2009-2012.

[4]Gupta T K.Handbook of Thick- and Thin-Film Hybrid Microelec-tronics[M].New Jersey:Wiley,2003.

[5]Peterson K A,Knudson R T,et al.LTCC in Microelectronics,Microsystems,and Sensors[C]//Proceedings of 15th International Conference MIXDES 2008.Poznań,Poland,2008:23-37.

[6]Malecha K,Pijanowska D G,Golonka L J,et al.LTCC Microreactor for Urea Determination in Biological Fluids[J].Sensors and Actuators B,2009(141):301-308.

[7]Johnson R W,Evans J L,Jacobsen P,et al.The Changing Automotive Environment:High-Temperature Electronics[J].IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing,2004,27(3):164-176.

[8]George T,Son K A,Powers R A,et al.Harsh Environment Micro-technologies for NASA and Terrestrial Applications[C]//IEEE Sensors.Irvine,CA,USA,2005:1253-1258

[9]Werner M R,Fahrner W R.Review on Materials,Microsensors,Systems and Devices for High-Temperature and Harsh-Environment Applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2001,48:249-257.

[10]李瑩.LTCC高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)制作與測(cè)試[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):101-105.

[12]Xiong J J,Li Y,Hong Y,et al.Wireless LTCC-Based Capacitive Pressure Sensor for Harsh Environment[J].Sensors and Actuators A,2013,197:30-37.

[13]康昊,譚秋林,秦麗,等.基于LTCC的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,4(26):498-501.

[14]Fonseca M A.Polymer/Ceramic Wireless MEMS Pressure Sensors for Harsh Environments:High Temperature and Biomedical Applications[D].Atlanta:Georgia Institute of Technology,2007.

[15]Jow U M,Ghovanloo M.Design and Optimization of Printed Spiral Coils for Efficient Transcutaneous Inductive Power Transmission[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2007,1(3):193-202.

羅濤(1990-),男,湖南澧縣人,碩士,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,研究方向?yàn)闊o(wú)線無(wú)源傳感器,18935157540@163.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,副教授,中北大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人,中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線無(wú)源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)技術(shù),tanqiulin.99@163.com。