任重，譚秋林，3，李晨，鄭庭麗，蔡婷，熊繼軍*(1.中北大學(xué)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; 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

基于高溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器*

任重1，2，譚秋林1，2，3，李晨1，2，鄭庭麗1，2，蔡婷1，2，熊繼軍1，2*
(1.中北大學(xué)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; 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

通過(guò)高溫?zé)Y(jié)技術(shù)獲得了總體尺寸為28 mm×28 mm×0.47 mm的氧化鋁陶瓷基板，結(jié)合厚膜技術(shù)在該基板上印刷無(wú)源LC串聯(lián)諧振電路，設(shè)計(jì)并制備了一種基于氧化鋁陶瓷的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器。在18℃～300℃的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了傳感器的無(wú)線測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該溫度傳感器呈現(xiàn)出了良好的線性特征，線性范圍大且非線性誤差小，其諧振頻率對(duì)溫度的靈敏度約為2.75 kHz/℃，可應(yīng)用于高溫惡劣環(huán)境下的溫度檢測(cè)。

無(wú)線無(wú)源傳感器;溫度;高溫?zé)Y(jié);氧化鋁陶瓷;諧振頻率

盡管目前有多種不同類(lèi)型的傳感器，但大多數(shù)都屬于有線有源傳感器，例如電容式傳感器［1-2］、基于阻抗譜測(cè)試的傳感器［3-4］等，但是它們需要傳感器與信號(hào)傳輸系統(tǒng)之間具有物理連接，又需要電源供應(yīng)，使得其在如旋轉(zhuǎn)部件、無(wú)損監(jiān)測(cè)、化學(xué)腐蝕、密封環(huán)境等特殊高溫場(chǎng)合中難以滿(mǎn)足要求［5-7］，而無(wú)線無(wú)源傳感器具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以合理避開(kāi)且能很好地解決這些問(wèn)題。近年來(lái)，無(wú)線無(wú)源傳感器得到了廣泛的研究和應(yīng)用，包括聲表面波傳感器［8-9］、LC諧振傳感器［10-13］等。

鑒于氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣電阻大，硬度高，耐磨、耐腐蝕及耐高溫等優(yōu)良性能［14］，本文以通過(guò)高溫?zé)Y(jié)技術(shù)而獲得的氧化鋁陶瓷作為基板，設(shè)計(jì)并制備了一種集成片上電感及電容的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器，并通過(guò)無(wú)線耦合的方式對(duì)其進(jìn)行了溫度性能測(cè)試。與其他類(lèi)型的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器相比，它具有高溫性能穩(wěn)定、線性范圍寬、非線性誤差小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 溫度傳感器工作原理

該溫度傳感器的等效電路模型主要是一個(gè)串聯(lián)式的LC諧振電路，包括電感Ls、電容Cs和電阻Rs(圖1-溫度傳感器)。傳感器的諧振頻率f0和品質(zhì)因子Q，可由以下公式得到:

當(dāng)傳感器所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)，主要通過(guò)影響兩電容極板之間陶瓷的介電常數(shù)，使傳感器的電容值發(fā)生變化，從而改變了傳感器的固有諧振頻率，而該變化的頻率信號(hào)可以通過(guò)一個(gè)帶測(cè)試天線的外部電路，以無(wú)線耦合的方式測(cè)試得到，其等效電路如圖1所示。

圖1 溫度傳感器與測(cè)試天線的等效電路

傳感器和天線之間的耦合系數(shù)k和互感Lm關(guān)系如下:

根據(jù)基爾霍夫定律以及變壓器理論可知，測(cè)試端的輸入阻抗Z:

式中f為天線輸入端信號(hào)的頻率。

通過(guò)式(1)、式(2)及式(4)，可得到輸入阻抗的實(shí)部、虛部、幅值和相位的表達(dá)式:

通過(guò)在測(cè)試天線端加載具有一定帶寬的掃頻信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)的某一特定頻率與傳感器的固有頻率相等時(shí)，電路會(huì)發(fā)生諧振。此時(shí)，輸入阻抗的實(shí)部達(dá)到極大值，并且輸入阻抗的相位將發(fā)生明顯的改變。因此，通過(guò)拾取輸入阻抗的實(shí)部或者相位隨掃頻信號(hào)頻率變化的這些特殊點(diǎn)，就可以表征傳感器工作時(shí)諧振頻率的大小，從而間接測(cè)出外界溫度信號(hào)值。

2 溫度傳感器的設(shè)計(jì)

溫度傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該溫度傳感器以制得三層陶瓷片厚度的氧化鋁陶瓷作為基板，并在其上、下表面印刷一層平面螺旋電感和一對(duì)平行極板電容，形成無(wú)源LC諧振電路。

電感設(shè)計(jì)為圓形平面螺旋電感(見(jiàn)圖2)，可通過(guò)以下公式計(jì)算電感值［15］:

式中n為電感圈數(shù)，ρ為填充比，davg為電感線圈的平均直徑，din為電感線圈的內(nèi)徑，dout電感線圈的外徑，μ0=4π×10-7，c1、c2、c3和c4為與電感形狀相關(guān)的系數(shù)，在這里依次分別取值1、2.46、0和0.2。

電容設(shè)計(jì)為圓形極板電容(見(jiàn)圖2)，可通過(guò)以下公式計(jì)算電容值:

式中ε0為真空介電常數(shù)，εr為氧化鋁陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)，tm為陶瓷基底的厚度，a為圓形極板的半徑。

圖2 溫度傳感器結(jié)構(gòu)的截面示意圖

溫度傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，代入相關(guān)參數(shù)值，可以計(jì)算出溫度傳感器的電感Ls=2.02μH，電容Cs=8.95 pF，以及室溫下的諧振頻率f0=37.4 MHz。

表1 溫度傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 溫度傳感器的制備

圖3 溫度傳感器制備的主要流程圖

選用96%氧化鋁生瓷帶材料來(lái)制備溫度傳感器，其主要流程圖如圖3所示。先通過(guò)疊片、熱壓、切片等工藝獲得具有三層陶瓷厚度的氧化鋁生瓷帶(圖3-2)，然后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)技術(shù)獲得致密結(jié)構(gòu)并具有一定機(jī)械強(qiáng)度的氧化鋁陶瓷基板(圖3-3)，再利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在該基板上印刷銀漿料以形成圓形平面螺旋電感及圓形極板電容(圖3-4)，經(jīng)過(guò)漿料與基板后燒成型后，最終加工出以氧化鋁陶瓷作基板的溫度傳感器(圖3-5)。所制得的溫度傳感器的實(shí)物圖如圖4所示，總體尺寸為28 mm×28 mm×0.47 mm。

圖4 溫度傳感器的實(shí)物圖

4 測(cè)試及討論

鑒于銅絲低成本、優(yōu)良的機(jī)械及電學(xué)性能等特點(diǎn)，我們選擇線材1 mm直徑的銅絲(漆包線)，以繞制圓柱螺旋天線用于溫度傳感器的無(wú)線耦合測(cè)試。螺旋天線實(shí)物圖如圖5所示，它的外徑31.6 mm，圈數(shù)5.5，平均螺距5.45 mm，自諧振頻率為61.3 MHz，阻抗相頻特性曲線的有效帶寬范圍約為1 MHz～61.3 MHz。

圖5 螺旋天線實(shí)物圖

溫度傳感器的無(wú)線測(cè)試平臺(tái)如圖6所示，測(cè)試時(shí)溫度傳感器貼于隔熱爐門(mén)內(nèi)側(cè)，通過(guò)Nabertherm LHT 02/16高溫臺(tái)式爐供熱，而測(cè)試天線置于隔熱爐門(mén)外側(cè)凹槽內(nèi)，并與溫度傳感器之間具有10 mm厚度的隔熱層，即保持10 mm的耦合距離(天線與傳感器之間的最大耦合距離約為3 cm)。通過(guò)Agilent E4991A阻抗分析儀來(lái)測(cè)試天線端輸入阻抗的幅值、相位和阻抗實(shí)部隨掃頻信號(hào)頻率的變化，研究傳感器輸入?yún)?shù)(溫度)對(duì)輸出參數(shù)(諧振頻率)的影響。鑒于高溫爐在起始段加熱的不均勻性，為避免其可能帶來(lái)的測(cè)量誤差，我們?cè)O(shè)定加熱速率為5℃/min，并依次在室溫(18℃)、100℃以及100℃以后每變化25℃的溫度下記錄相應(yīng)的阻抗特性數(shù)據(jù)。

圖6 傳感器隔熱測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試時(shí)可以選擇輸入阻抗相位曲線(圖7(b))的波谷所對(duì)應(yīng)的頻率，或者輸入阻抗實(shí)部曲線(圖7(c))的波峰所對(duì)應(yīng)的頻率，來(lái)近似表征傳感器的諧振頻率。二者諧振頻率的測(cè)量值相差并不大，而且前者的測(cè)量值僅比后者略大。在這次測(cè)試過(guò)程中，我們選擇前者來(lái)表征傳感器諧振頻率的變化規(guī)律。

室溫(18℃)下測(cè)得傳感器的諧振頻率為35.975 MHz，測(cè)量值比理論設(shè)計(jì)值偏低，主要受加工誤差、耦合距離以及寄生電容因素的影響。

在溫度從18℃升至300℃的過(guò)程中，輸入阻抗的幅值、相位及阻抗實(shí)部也發(fā)生相應(yīng)改變，如圖7所示。可以看出，隨著溫度的升高，輸入阻抗的幅值、相位及阻抗實(shí)部的曲線均向低頻率方向偏移，并且峰值均逐漸減小。這主要是因?yàn)?該溫度傳感器以氧化鋁陶瓷作為基底，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，陶瓷的介電常數(shù)隨著溫度的升高而增大，平行極板電容增大，傳感器的諧振頻率減小，曲線均向低頻率方向偏移;溫度傳感器的等效串聯(lián)電阻Rs隨溫度的升高而增大，Rs越大，Q值越?。?6］，峰值均逐漸減小。

圖7 不同溫度下的輸入阻抗-頻率特性曲線

如圖8所示，在18℃～300℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，傳感器的諧振頻率-溫度曲線呈現(xiàn)出良好的線性特征。對(duì)測(cè)量得到的諧振頻率-溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合方程為:

且線性擬合度為0.998 6，非線性誤差小且最大不超過(guò)0.058%。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，溫度傳感器的諧振頻率對(duì)溫度的平均變化量為2.754×10-3MHz/℃，即溫度傳感器的靈敏度約為2.75 kHz/℃，靈敏度較高。

圖8 溫度傳感器諧振頻率隨溫度的變化曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制備了一種基于氧化鋁陶瓷的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器，通過(guò)無(wú)線耦合的方式測(cè)試得到并討論了該傳感器的阻抗頻率響應(yīng)特征，并探討了其測(cè)溫的線性范圍、非線性誤差及靈敏度。隨著溫度的升高，輸入阻抗的幅值、相位及阻抗實(shí)部的曲線均向低頻率方向偏移，并且峰值均逐漸減小;在18℃～300℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，傳感器的諧振頻率-溫度曲線呈現(xiàn)出良好的線性特征，線性擬合度為0.998 6，非線性誤差小且最大不超過(guò)0.058%，靈敏度約為

2.75 kHz/℃。

［1］Thorsten Wagner，S?ren Krotzky，Alexander Wei?，et al.A High Temperature Capacitive Humidity Sensor Based on mesoporous silica［J］.Sensors，2011(11):3135-3144

［2］Guo S，Guo J，Ko W H.A Monolithically Integrated Surface Micromachined Touch Mode Capacitive Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators A，2000，80(3):224-232

［3］Qiu S，Gao S，Liu Q，et al.Electrochemical Impedance Spectroscopy Sensor for Ascorbic Acid Based on Copper(I)Catalyzed Click Chemistry［J］.Biosensors and Bioelectronics，2011，26(11):4326 -4330

［4］Bovard F S，Burleigh T D，Smith A T.Electrochemical Impedance Spectroscopy of Electrocoated Aluminum Food Cans［J］.Electrochimica Acta，1995，40(2):201-207

［5］Nabipoor M，Majlis B Y.A New Passive Telemetry LC Pressure and Temperature Sensor Optimized for TPMS［J］.Journal of Physics，2006，34(1):770-775

［6］Ong K G，Grimes C A，Robbins C L，et al.Design and Application of a Wireless，Passive，Resonant-Circuit Environmental Monitoring Sensor［J］.Sensors and Actuators A，2001，93(1):33-43

［7］韓安太，郭小華，陳志強(qiáng)，等.基于LC諧振傳感器的包裝茶葉含水率無(wú)損檢測(cè)［J］.茶葉科學(xué)，2009，29(5):395-401

［8］李平，文玉梅，黃尚廉.聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線溫度傳感器［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(4):403-405

［9］Huang Y S，Chen Y Y.A Passive Wireless Hydrogen Surface A-coustic Wave Sensor Based on Pt-Coated ZnO Nanorods［J］.Nanotechnology，2010，21(9):1-6

［10］Tan E L，Ng W N，Shao R，etal.A Wireless，Passive Sensor for Quantifying Packaged Food Quality［J］.Sensors，2007(7):1747-1756

［11］Chen P J，Saati S，Varma R，et al.Wireless Intraocular Pressure Sensing Using Microfabricated Minimally Invasive Flexible-Coiled LC Sensor Implant［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2010，19(4):721-734

［12］Horton B E，Schweitzer S，DeRouin A J，et al.A Varactor-Based，Inductively Coupled Wireless PH Sensor［J］.IEEE Sensors Journal，2011，11(4):1061-1066

［13］王淵朝，彭斌，黃武林.一種LC諧振無(wú)線無(wú)源溫度傳感器的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(10):1341-1344

［14］朱志斌，郭志軍，劉英，等.氧化鋁陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用［J］.陶瓷，2003(1):5-8

［15］Mohan S S.The Design，Modeling and Pptimization of On-Chip Inductor and Transformer Circuits［D］.California:Stanford University，1999

［16］Jia Yi，Sun Ke，F(xiàn)redrick Just Agosto.Design and Characterization of a Passive Wireless Strain Sensor［J］.Measurement Science and Technology，2006(17):2869-2876

任重(1987-)，男，湖北石首人，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)源高溫壓力傳感器，rz381567720@sina.cn;

熊繼軍(1971-)，男，湖北浠水人，博士，教授，主要從事納機(jī)電器件基礎(chǔ)研究、微系統(tǒng)集成和動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)等方面的研究，xiongjijun@nuc.edu.cn。

Wireless Passive Temperature Sensor Based on High Temperature Sintering Alumina Ceramic*

REN Zhong1，2，TAN Qiulin1，2，3，LI Chen1，2，Zheng Tingli1，2，CAI Ting1，2，XIONG Jijun1，2*

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 3.National Key Laboratory Fundamental Science of Mico/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

A wireless passive temperature sensor based on Alumina ceramic is designed and fabricated，where the alumina ceramic substrate is obtained with the overall size of28 mm×28 mm×0.47 mm through high temperature sintering technology，and passive LC series resonant circuit is printed on the substrate by thick film technology.A wireless test on the sensor is achieved under the temperature from 18℃to 300℃.The results show that the temperature sensor demonstrates good linear characteristics，large linear range and low non-linear error.The sensitivity of the sensor on resonant frequency to temperature is about2.75 kHz/℃.It can be applied to detect high temperature in harsh environments.

wireless passive sensor;temperature;high temperature sintering;alumina ceramic;resonant frequency

TP212.1

A

1004－1699(2014)05－0654－04

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.016

項(xiàng)目來(lái)源:高等學(xué)校優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計(jì)劃;國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61335008)

2014-03-27

2014-04-15