氧化鋁陶瓷基無線無源壓力傳感器的高溫性能研究*

任 重,蔡 婷,譚秋林,3,李 晨,鄭庭麗,熊繼軍*

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國家重點學(xué)科實驗室,重慶 400044)

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氧化鋁陶瓷基無線無源壓力傳感器的高溫性能研究*

任 重1,2,蔡 婷1,2,譚秋林1,2,3,李 晨1,2,鄭庭麗1,2,熊繼軍1,2*

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國家重點學(xué)科實驗室,重慶 400044)

利用高溫?zé)Y(jié)陶瓷技術(shù)制備了一種基于氧化鋁陶瓷的LC諧振式無線無源壓力傳感器,并通過合理地設(shè)計圓柱螺旋天線以及隔熱結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了該傳感器在高溫環(huán)境中的無線耦合測試。研究了傳感器在不同溫度下的阻抗頻率特性,分析并探討了傳感器的高溫性能。測試結(jié)果表明,在29 ℃(室溫)至700 ℃的溫度范圍內(nèi),測試天線端的最高瞬時溫度為188.4 ℃,保證了傳感器高溫測試的可靠性。諧振頻率對溫度的平均變化量為1.314 kHz/℃,兩次重復(fù)性測試的相對變化量為3.81%,重復(fù)性較好。該壓力傳感器可應(yīng)用于高溫惡劣環(huán)境下的壓力測試,其高溫性能的研究為壓力信號的準(zhǔn)確讀取奠定了良好的基礎(chǔ)。

壓力傳感器;無線無源;高溫;零點溫漂;諧振頻率

隨著國民經(jīng)濟(jì)和微電子技術(shù)的發(fā)展,高溫壓力傳感器作為微機電系統(tǒng)(MEMS)主要產(chǎn)品之一,在民用工業(yè)和國防軍工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,從石油工業(yè)所用的儀器到渦輪發(fā)動機和內(nèi)燃機的監(jiān)測和控制等,都要求壓力傳感器能夠工作在200 ℃以上[1-3]?，F(xiàn)有的傳感器盡管可以在量程、頻率響應(yīng)和其他方面可以滿足要求,但是它們只能在一些“溫和”的環(huán)境中才能發(fā)揮作用。目前來說,壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域至少在以下2個方面還很欠缺,甚至是僅僅滿足最低的要求:一個是超高溫的外部環(huán)境,另一個是強電磁干擾環(huán)境[4]。高溫壓力傳感器以其優(yōu)良的高溫工作能力在壓力傳感器中一直受到高度重視,是傳感器研究的重要領(lǐng)域之一,它的研究與開發(fā)具有重要意義[5]。目前,高溫壓力傳感器已展開了深入的研究,主要包括SOI高溫壓力傳感器[6-7]、SiC高溫壓力傳感器[8]、硅-藍(lán)寶石壓力傳感器[9]、光纖高溫壓力傳感器[10-11]、聲表面波(SAW)壓力傳感器[12-13]以及LC諧振式壓力傳感器[13-16]。

本文以LC串聯(lián)諧振式電路為理論基礎(chǔ),針對一種可應(yīng)用于高溫惡劣環(huán)境下的基于氧化鋁陶瓷的無線無源壓力傳感器,在不同溫度下對其進(jìn)行了無線耦合測試,分析并探討了傳感器的高溫性能及零點溫漂對壓力信號讀取的影響。

1 工作原理

該電容式壓力傳感器模型主要是一個串聯(lián)式的LC諧振電路,包括串聯(lián)電感Ls、串聯(lián)電容Ls和等效串聯(lián)電阻Rs。傳感器的諧振頻率f0、品質(zhì)因子Q,可由以下公式得到:

(1)

(2)

在上述模型中,當(dāng)作用在傳感器的外界壓力發(fā)生變化時,兩電容極板間距將會發(fā)生微小變化,引起傳感器的電容值變化,從而改變了傳感器的固有諧振頻率,而該頻率信號的變化可以通過外部電路,以無線耦合的方式測試得到。為了和傳感器進(jìn)行無線耦合,需要一個帶讀取天線的測試電路,其等效電路如圖1所示。

圖1 無線耦合測試的等效電路圖

通過在測試天線端加載具有一定帶寬的掃頻信號,當(dāng)該信號的某一特定頻率與傳感器的固有頻率相等時,電路會發(fā)生諧振。此時,輸入阻抗的相位將發(fā)生明顯的變化。因此,通過拾取輸入阻抗的相位隨掃頻信號頻率變化的特殊點,就可以表征傳感器工作時的諧振頻率大小,從而間接測出外界壓力信號值。

2 設(shè)計制備

高溫環(huán)境會導(dǎo)致測試天線的一些特性參數(shù)(電感、電阻等)發(fā)生變化,從而影響傳感器的高溫性能測試。為提高測試的準(zhǔn)確性,我們通過設(shè)計合理的隔熱層結(jié)構(gòu),保證測試天線在正常溫度范圍內(nèi)工作,以實現(xiàn)傳感器的無線耦合測試,其示意圖如圖2所示。

圖2 無線耦合測試示意圖

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,其基底材料選用ESL 44000生瓷帶,主要成分為96%Al2O3,厚度約為200 μm,X、Y方向的熱收縮率為16.0%～18.0%。

圖3 傳感器剖面示意圖

壓力傳感器的主要制備過程如下:①切片,切制出3片相同大小的生瓷帶;②沖孔,將其中1片生瓷帶沖孔出預(yù)定的形狀及尺寸;③一次疊片,使用疊片機將1片沖孔生瓷帶和1片相同大小的生瓷帶在一定的壓力及溫度作用下粘接;④在疊片后形成的生坯空腔內(nèi)填充碳膜,并與另一層相同大小的生瓷帶進(jìn)行二次疊片,形成完整生坯;⑤熱壓,在層壓機中以21 MPa、70 ℃的熱壓條件將生坯壓制成一體;⑥熱切成設(shè)計尺寸,并進(jìn)行高溫?zé)Y(jié),其中最高燒結(jié)溫度1 500 ℃、峰值時間2 h;⑦絲網(wǎng)印刷,通過絲網(wǎng)印刷機在經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的氧化鋁陶瓷基板上印刷銀漿料以形成壓敏電容及方形平面螺旋電感的圖形;⑧后燒成型,在七溫區(qū)網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中,將印刷有電路圖形的基板,進(jìn)行二次燒結(jié)處理,其中網(wǎng)帶的速率設(shè)置為100 mm/min,溫區(qū)最高溫度為850 ℃。最終制備出的壓力傳感器的實物圖如圖4所示。

2.2 測試天線

鑒于銅線低成本、優(yōu)良的機械及電學(xué)性能等特點,我們選擇線材1.3 mm直徑的漆包銅線,以繞制圓柱螺旋天線,用于測試得到傳感器的諧振頻率。螺旋天線實物圖如圖5所示,它的外徑46.3 mm,圈數(shù)5.5,平均螺距5.4 mm。

圖4 壓力傳感器實物圖

圖5 螺旋天線實物圖

2.3 隔熱層結(jié)構(gòu)

設(shè)計時選用WDS?納米級微孔隔熱材料-1050型隔熱板,厚度規(guī)格為50 mm,隔熱層厚度設(shè)計為10 mm。隔熱層的熱端面放置傳感器,冷端面放置螺旋天線,即天線通過隔熱材料對高溫下的壓力傳感器進(jìn)行無線信號讀取。其中,隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計成臺階狀(圖2,隔熱材料結(jié)構(gòu)),熱面端尺寸為150 mm×150 mm×35 mm,以配合高溫臺式爐爐門的幾何尺寸;冷面端尺寸為200 mm×200 mm×15 mm,以進(jìn)一步減小熱面端溫度對測試天線的影響;隔熱層內(nèi)部加工出55 mm×55 mm×40 mm的凹槽(圖6,隔熱材料實物),這樣既可以合理放置螺旋天線,又可以保證天線與傳感器之間的耦合距離(10 mm)。

圖6 傳感器隔熱測試裝置

3 測試及討論

傳感器的隔熱測試裝置如圖6所示,通過Nabertherm LHT 02/16高溫臺式爐為傳感器提供熱源(常壓環(huán)境),利用Agilent E4991A阻抗分析儀測試天線端輸入阻抗的相頻及幅頻特性,并使用Infrared Thermometer TM750紅外測溫儀測量隔熱層凹槽內(nèi)壁的溫度。

高溫測試前,測得螺旋天線(帶引線)的電感(1MHz)為0.352 μH,直流電阻為0.25 Ω,自諧振頻率為34.2 MHz;當(dāng)測試天線與該傳感器的耦合距離為10 mm(最大耦合距離約為40 mm)時,測得傳感器的諧振頻率為21.73 MHz,小于天線的自諧振頻率。

當(dāng)溫度均勻升高時,隔熱層外部溫度近似呈“線性”趨勢而緩慢升高,如圖7所示。當(dāng)加熱至最高溫度700 ℃時,測得隔熱層冷面瞬時溫度為188.4 ℃。因此,隔熱層外部并不太高的溫度,保證了測試天線機械性能及電學(xué)性能的穩(wěn)定性,從而確保了傳感器高溫性能測試的可靠性。

圖7 隔熱層內(nèi)、外部溫度曲線圖

圖9 不同溫度下輸入阻抗的相位頻率曲線

當(dāng)溫度從室溫均勻加熱至700 ℃的過程中,輸入阻抗的幅值及相位也發(fā)生相應(yīng)改變,分別如圖8、圖9所示。

圖8 不同溫度下輸入阻抗的幅值頻率曲線

從中可以看出,隨著溫度的升高,傳感器的諧振頻率逐漸減小,耦合強度減弱;當(dāng)溫度最高升至700 ℃時,此時天線-傳感器的耦合效果仍然相對明顯,且諧振頻率對溫度的平均變化量為1.314 kHz/℃,即零點溫漂為1.314 kHz/℃。

當(dāng)溫度隨爐冷卻后,其他條件保持不變,再次從室溫均勻加熱至700 ℃,進(jìn)行重復(fù)性測試。如圖10所示,表示先后兩次測量過程中傳感器諧振頻率隨溫度的變化曲線。從第2次測試結(jié)果可知,隨著溫度的升高,傳感器的諧振頻率也逐漸減小;當(dāng)溫度最高升至700 ℃時,天線-傳感器的耦合效果仍然相對明顯,零點溫漂為1.364 kHz/℃,對第1次溫漂的相對變化量為3.81%。

圖10 傳感器的諧振頻率隨溫度的變化

對兩次測量得到的諧振頻率f(MHz)-溫度T(℃)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合,即:

f=-1.292e-006·T2-0.0004279·T+21.81

(3)

從測試結(jié)果可知,隨著溫度的升高,傳感器的諧振頻率以近似呈現(xiàn)二次曲線的趨勢逐漸減小,耦合強度減弱。這是由于氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)隨溫度的升高而增大[17],則諧振電路中的電容Cs增大,而氧化鋁的熱膨脹系數(shù)很低,使得高溫下片上電感Ls的變化量很小。因此,傳感器的諧振頻率隨溫度的升高而減小。此外,諧振電路由銀漿料通過絲網(wǎng)印刷而成,當(dāng)溫度升高時,銀的電阻率變大,電路的等效串聯(lián)電阻增大,則Q值減小,耦合強度逐漸減弱。

該壓力傳感器存在較大的零點溫漂,溫度對壓力測試的影響不可小覷。因此,在測量精度要求不高的場合,可盡量提高傳感器對壓力的靈敏度,從而忽略溫漂帶來的影響;而在測量精度要求較高的場合,可通過補償算法的方式,以減小溫漂對壓力信號測試的影響。

4 結(jié)論

本文制備了一種可應(yīng)用于高溫惡劣環(huán)境下的基于氧化鋁陶瓷的無線無源壓力傳感器,并對其進(jìn)行了無線耦合測試,分析并探討了零點溫漂的影響及其高溫性能。通過設(shè)計合理的隔熱層結(jié)構(gòu),保證了測試端天線性能的穩(wěn)定性,從而提高了傳感器高溫性能測試的可靠性。隨著溫度的升高,傳感器的靜態(tài)諧振頻率以近似呈現(xiàn)二次曲線的趨勢逐漸減小,耦合強度減弱;當(dāng)溫度最高升至700 ℃時,天線與傳感器的耦合效果仍然相對明顯;傳感器的諧振頻率對溫度的平均變化量為1.314 kHz/℃,零點溫漂較大;第2次零點溫漂對第1次的相對變化量為3.81%,高溫重復(fù)性好。

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任重(1987-),男,湖北石首人,碩士,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,主要從事高溫壓力傳感器方面的研究,rz381567720@sina.cn;

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

High-TemperaturePerformanceofWirelessPassivePressureSensorBasedonAluminaCeramic*

RENZhong1,2,CAITing1,2,TANQiulin1,2,3,LIChen1,2,ZhengTingli1,2,XIONGJijun1,2*

(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,China3.National Key Laboratory Fundamental Science of Mico/Nano-Device and System Technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

A wireless passive LC resonant pressure sensor based on alumina ceramic is fabricated by the high temperature sintering ceramic process,and cylindrical helical antenna and a structure of insulation material are designed to realize the wireless coupling test for the sensor in high temperature environment. The high temperature performance of the sensor is analyzed and discussed by studying the impedance-frequency characteristics under different temperatures. The results show that the highest instantaneous temperature of the terminal of the test antenna is 188.4 ℃ when the temperature is ranged from 29 ℃(room temperature)to 700 ℃,which ensures the reliability of the test on the sensor under high temperature. The average change of resonant frequency to temperature is 1.314 kHz/℃,and the relative change of the twice tests is 3.81%,with good reproducibility. The pressure sensor can be used to measure the pressure under high temperature and harsh environment,and the study of the high temperature performance of the sensor laid a good basis for accurately reading the pressure signal.

pressure sensor;wireless passive;high temperature;zero drift;resonant frequency

項目來源:國家自然科學(xué)基金重點項目(61471324);訪問學(xué)者基金項目(2013MS03);優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計劃項目

2014-05-30修改日期:2014-07-11

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.003

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)09-1169-05