鄭庭麗,趙衛(wèi)軍,梁 庭,洪應(yīng)平,任 重,李賽男,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.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100000)

?

LC諧振式壓力傳感器的高溫關(guān)鍵參數(shù)研究*

鄭庭麗1,2,趙衛(wèi)軍3,梁 庭1,2,洪應(yīng)平1,2,任 重1,2,李賽男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.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100000)

無(wú)線無(wú)源高溫壓力傳感器在高溫、高壓等惡劣環(huán)境中應(yīng)用日益廣泛,其耐高溫性能已成為衡量傳感器的一項(xiàng)最基本且重要的指標(biāo)。利用低溫共燒陶瓷LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)技術(shù),分別設(shè)計(jì)和制作了陶瓷基片上電感及電容器件,并進(jìn)行高溫特性測(cè)試,通過(guò)討論和分析確定了造成電感和電容隨溫度變化的原因。測(cè)試結(jié)果表明:在100 ℃～500 ℃溫度范圍內(nèi),電感L基本保持不變,等效串聯(lián)電阻R增大了2.7倍,電容C增大了5.3%,從而LC諧振傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q減小了72.8%。該測(cè)試及分析對(duì)高溫環(huán)境下基于LC諧振式壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

高溫壓力傳感器;LTCC;電感;電容

在惡劣環(huán)境條件下對(duì)壓力測(cè)試的需求日益增大,尤其在高溫環(huán)境方面,如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴壓力的測(cè)試,高速飛行體在大氣中飛行時(shí)對(duì)其自身壓力環(huán)境的測(cè)試[1]?，F(xiàn)有的MEMS壓力傳感器由于高溫環(huán)境下電引線性能退化以及壓力敏感結(jié)構(gòu)被破壞導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作,因此,研究設(shè)計(jì)適用于極端環(huán)境下的高可靠性能的傳感器顯得尤為重要。基于陶瓷材料的LC諧振傳感器可以很好的解決上述問(wèn)題[2-4]。近幾年,關(guān)于使用低溫共燒陶瓷(LTCC)和相關(guān)工藝[5-6]來(lái)制作的高溫壓力傳感器的研究逐漸成為熱點(diǎn)[7-8],能夠滿足600 ℃左右的高溫環(huán)境應(yīng)用。傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和整體封裝是考驗(yàn)傳感器在高溫條件下性能的關(guān)鍵性問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)高溫壓力傳感器在高溫環(huán)境下的高穩(wěn)定性和高可靠性,面臨的將技術(shù)重點(diǎn)與難點(diǎn)主要體現(xiàn)在傳感器自身的高溫關(guān)鍵特征參數(shù)的研究。

本文提出了一種基于LTCC的LC諧振傳感器,并分別設(shè)計(jì)、制作了傳感器的電感和電容結(jié)構(gòu),通過(guò)測(cè)試溫度對(duì)傳感器的電感L、R,電容C和品質(zhì)因數(shù)Q的影響來(lái)分析傳感器的高溫性能。為后續(xù)提高壓力傳感器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性以及可靠性奠定了基礎(chǔ)。

1 原理

基于LTCC的無(wú)源無(wú)線壓力傳感器其實(shí)是由矩形平面螺旋電感線圈和電容串聯(lián)組成的LC諧振電路,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)傳感器受到外界壓力時(shí),電容兩極板間距變化,導(dǎo)致電容大小變化,從而使傳感器的諧振頻率改變。因此,根據(jù)互感耦合的原理來(lái)檢測(cè)傳感器的諧振頻率變化,就可以獲得外界壓力的大小。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器的諧振頻率為

(1)

LC諧振傳感器品質(zhì)因數(shù)Q是用來(lái)衡量傳感器的重要參數(shù),較高的Q值有利于傳感器信號(hào)的檢測(cè)與提取,其Q值為

(2)

通常情況下,需要將無(wú)源壓力傳感器放置于高溫環(huán)境中,溫度變化會(huì)對(duì)該結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生影響,從而影響整個(gè)LC諧振傳感器結(jié)構(gòu)的性能。為了更好的研究高溫下壓力傳感器的各項(xiàng)參數(shù),我們分別設(shè)計(jì)與制作了電感和電容結(jié)構(gòu)。

圖2 電感結(jié)構(gòu)剖面圖

2 設(shè)計(jì)與制備

通過(guò)LTCC厚膜印刷技術(shù)和多層疊片技術(shù)[9-13],再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚥襟E,可以制備出符合設(shè)計(jì)要求的基于LTCC技術(shù)的電容和電感結(jié)構(gòu)。我們采用Dupont 951陶瓷片作為基底材料,Dupont 6142D銀漿料作為絲網(wǎng)印刷材料。

本文的電感采用3層結(jié)構(gòu),其剖面圖如圖2所示。首先,將切制好的35 mm的方形3層生瓷片分別進(jìn)行沖壓、打孔,并將各層生瓷片通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝印制出相應(yīng)的圖形,再將每層制備好的生瓷片進(jìn)行烘干、疊片、層壓、燒結(jié)處理。圖3為制備好的完整LTCC平面螺旋電感實(shí)物圖。本文中為了使耐高溫銀導(dǎo)線與陶瓷電感能夠焊接上,我們采用Ag72Cu28預(yù)成型焊料片焊接。

圖3 電感結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

對(duì)于平面螺旋電感線圈,其電感為

(3)

其中u0為真空磁導(dǎo)率,n為方形螺旋電感圈數(shù),dout和din分別為螺旋電感線圈外直徑和內(nèi)直徑。

其電感的等效串聯(lián)電阻為

(4)

其中ρ為金屬電阻率,r為螺旋電感線圈的厚度,w和s分別為線寬和線間距。

圖4為電容結(jié)構(gòu)剖面示意圖,該結(jié)構(gòu)為4層陶瓷片堆疊而成,內(nèi)含兩層空腔。與電感制備一樣,先將25 mm的4層方形生瓷片分別沖壓、打孔、絲網(wǎng)印刷以及干燥處理,但在疊片層壓前需要在兩層空腔內(nèi)填充上碳膜,在燒結(jié)過(guò)程中,碳膜在高溫空氣中氧化成氣體通過(guò)陶瓷間的疏通氣孔排出,避免空腔塌陷,通過(guò)燒結(jié)工藝的電容結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖5所示。

圖4 電容結(jié)構(gòu)剖面圖

圖5 電容結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

當(dāng)電容空腔未受到外界壓力作用時(shí),其電容為

(5)

其中tg為電容空腔高度,εr為陶瓷介電常數(shù),ε0為真空介電常數(shù),a為方形電容空腔邊長(zhǎng)。

經(jīng)計(jì)算,電感L=3.71 μH,等效串聯(lián)電阻R=2.87 Ω,電容C=17 pF。

3 高溫測(cè)試與討論

搭建如圖6所示的測(cè)試系統(tǒng),該測(cè)試系統(tǒng)由Agilent E4991A阻抗分析儀、測(cè)試臺(tái)、高溫爐和隔熱爐門組成。對(duì)基于LTCC基底的電感和電容結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行高溫測(cè)試,將電感和電容結(jié)構(gòu)分別放置于高溫爐內(nèi),通過(guò)高溫銀導(dǎo)線與阻抗分析儀端的測(cè)試臺(tái)連接。高溫爐內(nèi)溫度設(shè)置從100 ℃上升到500 ℃。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)

電感結(jié)構(gòu)的電感值和電阻值隨溫度變化的結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 電感L隨溫度變化曲線

圖8 電阻R隨溫度變化曲線

從圖中可以看出電感值基本不隨溫度的變化而發(fā)生變化,這主要是由于陶瓷材料的收縮率隨溫度變化不大導(dǎo)致電感L基本保持不變。但電阻值隨溫度變化很明顯,從常溫下的2.87 Ω增加到了500 ℃時(shí)的10.36 Ω,變化量為原始值的2.7倍。根據(jù)電阻率溫度系數(shù)的公式,即

(6)

其中,R1和R2分別為兩溫度對(duì)應(yīng)的電阻值大小,ΔT為溫度變化范圍。本文中絲網(wǎng)印刷的材料采用的是Dupont 6142D銀漿料,其電阻溫度系數(shù)TCR約為0.003 8(20 ℃)/℃,而LC諧振傳感器的電阻初始值為2.87 Ω,當(dāng)溫度升高至500 ℃時(shí),根據(jù)式(6)可以計(jì)算出500 ℃時(shí)的電阻約為8 Ω,而實(shí)際測(cè)試得到的電阻值為10.36 Ω,相差2.36 Ω。由此分析:一方面從電感線圈本身考慮,銀電阻的熱膨脹系數(shù)查表得知銀為19.5×10-6/℃,考慮到線圈的長(zhǎng)度是固定的,所以通過(guò)計(jì)算得出線寬膨脹了0.003 7 mm,對(duì)于電阻變化來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。另一方面從外界因素考慮,由于是電感線圈是單獨(dú)引線,雖然采用耐高溫的電阻系數(shù)較小的純銀導(dǎo)線,但是有一部分銀導(dǎo)線是放置于高溫爐內(nèi),這難免會(huì)引起寄生電阻的增大。因此,可以確定電阻隨溫度增大最主要原因是由于其電阻溫度系數(shù)導(dǎo)致的。

圖9 電容C隨溫度變化曲線

圖9為電容結(jié)構(gòu)的電容值隨溫度變化的結(jié)果。溫度對(duì)電容值的影響也很大,當(dāng)溫度從100 ℃升高至500 ℃時(shí),電容值從17 pF增加至18.1 pF。從平行板電容的計(jì)算式(5)分析,其中受溫度影響的因素為:LTCC材料本身的相對(duì)介電常數(shù)εr隨溫度變化,以及由于熱膨脹導(dǎo)致電容極板面積a2和電容空腔厚度tg變化。常溫下,LTCC材料的相對(duì)介電常數(shù)εr為7.8,此時(shí)的電容值為17 pF,隨著溫度升高至500 ℃時(shí),其相對(duì)介電常數(shù)變?yōu)?.4左右,此時(shí)根據(jù)公式計(jì)算出電容值為18.3 pF(不考慮升溫時(shí)材料的熱膨脹)。而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的500 ℃電容值為18.1 pF,比計(jì)算值減少了0.2 pF,這可能是由于其他因素產(chǎn)生的寄生參數(shù)。一方面可能是LTCC材料升溫時(shí)的熱膨脹所導(dǎo)致。本文的電容制作是基于Dupont 951的低溫共燒陶瓷,其熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/℃。由于電容腔厚度約為100 μm,其熱膨脹可忽略不計(jì),所以通過(guò)計(jì)算可得,電容極板的面積膨脹了0.0004 mm2左右,這對(duì)于電容值變化來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。另一方面是基于LTCC材料的電容空腔上下極板會(huì)由于高溫蠕變而產(chǎn)生塑性形變,從而引起電容值的變化。因此,可以確定電容值隨溫度增大最主要原因是由于其制作材料的相對(duì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)導(dǎo)致的。

由上述基于LTCC基底的電感及電容串聯(lián)組成的LC諧振傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q隨溫度變化的結(jié)果如圖10所示,溫度由100 ℃上升到500 ℃時(shí),品質(zhì)因數(shù)Q減小了72.8%。品質(zhì)因數(shù)Q是用來(lái)描述LC諧振電路的質(zhì)量或其諧振能力,Q值越高,意味著LC諧振電路儲(chǔ)能的效率越高,這對(duì)LC諧振傳感器的信號(hào)檢測(cè)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。所以選擇電阻率溫度系數(shù)較小的金屬材料來(lái)制作電感線圈,介電常數(shù)溫度系數(shù)較小的陶瓷材料來(lái)制作電容,以減小溫度變化對(duì)傳感器Q值的影響。

圖10 品質(zhì)因數(shù)Q隨溫度變化曲線

對(duì)基于LC諧振原理的傳感器來(lái)說(shuō),其電感線圈的電阻率以及制作基底材料的介電常數(shù)都隨溫度變化而改變,溫度對(duì)LC諧振傳感器的影響不可完全避免,因此針對(duì)這類無(wú)線無(wú)源壓力傳感器,可以從其結(jié)構(gòu)和算法上進(jìn)行溫度補(bǔ)償,使傳感器在實(shí)際工程中有更廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LTCC的LC諧振傳感器的電感和電容器件設(shè)計(jì)、制作,并進(jìn)行高溫特性測(cè)試,得出在100 ℃～500 ℃溫度范圍內(nèi),電感L隨溫度基本保持不變,串聯(lián)電阻R增大了2.7倍,電容C增大了5.3%,導(dǎo)致LC諧振傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q減小了72.8%。通過(guò)討論和分析得出了造成電感和電容隨溫度變化的原因。因此,選取電阻率溫度系數(shù)較小的金屬材料制作電感線圈以及介電常數(shù)溫度系數(shù)較小的陶瓷材料制作電容空腔,可以減小溫度對(duì)電感和電容的影響,從而減小溫度對(duì)LC諧振傳感器Q值的影響,有利于傳感器信號(hào)的傳輸。這為基于LC諧振式壓力傳感器以后在高溫環(huán)境下的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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鄭庭麗(1989-),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線無(wú)源高溫壓力傳感器,ztl442@163.com;

熊繼軍(1971-),男,湖北人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、微納器件與系統(tǒng)研究,xiongjijun@nuc.edu.cn。

HighTemperatureKeyParametersResearchofLCResonantPressureSensor*

ZHENGTingli1,2,ZHAOWeijun3,LIANGTing1,2,HONGYingping1,2,RENZhong1,2,LISainan1,2,XIONGJijun1,2*

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Beijing aerospace systems engineering research institute,Beijing 100000,China)

The applications of wireless passive pressure sensor in harsh environments,such as high temperature and high pressure,is becoming more and more widely. The high temperature resistant performance has become one of the most basic and important indexes of the sensor. Using low temperature co-fired ceramic(LTCC)technology,the inductor and capacitor based on ceramic substrate has been designed and fabricated respectively,the high temperature properties test is also carried out,and the causes of the inductor and capacitor which are varied with temperature,through the discussion and analysis are determined. With the temperature range from 100 ℃ to 500 ℃,test results show that inductanceLbasically remains the same,the resistanceRincreases by 2.7 times,the capacitanceCincreases by 5.3%,thus the quality factorQdecreases by 72.8%. The test and analysis have an important guiding significance for optimization design of theLCresonant pressure sensor in high temperature environment.

high temperature pressure sensor;LTCC;inductor;capacitor

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家973項(xiàng)目(2010CB334703);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61335008)

2014-05-28修改日期:2014-08-16

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.006

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)10-1332-04