基于低溫共燒陶瓷的無(wú)線無(wú)源傳感器設(shè)計(jì)*

楊明亮, 譚秋林, 熊繼軍, 康 昊, 李 晨

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 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，山西 太原030051)

0 引 言

目前，物理參數(shù)的無(wú)線測(cè)量在醫(yī)學(xué)、自動(dòng)化、航空航天等許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如對(duì)于生物體內(nèi)器官和血管狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)物體內(nèi)部的遙測(cè)等[1]，就是采用無(wú)線測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。無(wú)線無(wú)源傳感器沒(méi)有電源直接供電，它是靠電磁波的能量供給傳感器工作。目前雖然有各種類型的壓力傳感器，但大多都是基于有線有源的壓力傳感器[2]，它們既需要物理連接的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，又需要電源供應(yīng)，這就限制了傳感器在許多需要進(jìn)行無(wú)線測(cè)試場(chǎng)合的應(yīng)用，同時(shí)，這些傳感器也不能應(yīng)用在高溫環(huán)境[3]。所以，設(shè)計(jì)和研究一種能在高溫和惡劣環(huán)境應(yīng)用的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器是很有必要的。

本文研究了基于低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)材料的LC諧振無(wú)線無(wú)源壓力傳感器，設(shè)計(jì)了平面螺旋電感器和平行板電容器，制備了基于LTCC材料的壓力傳感器，進(jìn)行測(cè)試，研究了無(wú)線無(wú)源傳感器的特性。該傳感器是電容式壓力傳感器，它具有可動(dòng)極板的電容器作為壓力敏感元件，將外部壓力轉(zhuǎn)換為電容值的變化。

1 傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器的的諧振原理是基于一種無(wú)源LC諧振電路。傳感器的諧振頻率可以表示為

(1)

式中Ls和Cs分別為傳感器的電感和電容。由公式可以看出，電感或者電容發(fā)生變化，LC諧振回路的諧振頻率fH都將改變。本次設(shè)計(jì)傳感器，利用外界壓力變化改變電容大小，使得傳感器頻率發(fā)生變化。因此，通過(guò)檢測(cè)LC回路的諧振頻率的變化就可以獲得外界壓力的大小。

圖1為傳感器模型截面圖。整個(gè)傳感器由4層LTCC瓷片組成，第一層和第四層印刷有圖2所示的圖案，電感器為平面螺旋電感器，電容器為正方形極板的平行板電容器，電感器和電容器的設(shè)計(jì)尺寸分別由表1和表2給出。第一層和第四層的金屬圖案通過(guò)通孔連接，形成一個(gè)LC回路。由于LTCC生瓷片在燒結(jié)時(shí)會(huì)軟化，所以，燒結(jié)之前要用一定的材料將電容器空腔填充，填充的材料在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)氣化，然后由空氣通道排出。傳感器燒結(jié)好以后，選用與陶瓷材料匹配的玻璃粉將空氣通道的出口封住，使的電容器空腔與外界空氣形成氣壓差。第一層和第四層是傳感器的壓力敏感膜。在受到壓力時(shí)，電容器空腔產(chǎn)生形變，電容器的板間距發(fā)生變化，引起電容大小變化，進(jìn)而引起頻率的變化。

圖1 傳感器模型截面圖

圖2 LTCC生瓷片表面金屬圖案

表1 電感器設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)

2 傳感器的制備

LTCC 技術(shù)是在 800～950 ℃的溫度下，將印刷有導(dǎo)電金屬圖形與具有互連通孔的多層陶瓷生片，在實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位后疊在一起，最后共燒結(jié)成為一塊整體多層互連結(jié)構(gòu)[4,5]。傳感器的制作工藝流程如下：

表2 電容器設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)

1)LTCC生瓷片上打孔:調(diào)用打孔文件，通過(guò)打孔機(jī)對(duì)LTCC生瓷片進(jìn)行打孔,形成空腔結(jié)構(gòu)。

2)用金屬漿料填充通孔:在填孔機(jī)中放置用于填孔的鋼片，加入漿料，對(duì)LTCC生瓷片進(jìn)行過(guò)孔的填充。過(guò)孔填充是為了保證傳感器電路的連通。

3)金屬導(dǎo)電圖案的印刷:將印有金屬圖形的網(wǎng)版置于絲網(wǎng)印刷機(jī)上，加入漿料，對(duì)LTCC生瓷片進(jìn)行電感器與電容器圖形的絲網(wǎng)印刷。

4)金屬圖案的烘干:由于剛剛印刷上金屬漿料的LTCC生瓷片由一定的粘性，不利于后續(xù)工藝的操作，所以,需要將印刷上金屬漿料的LTCC生瓷片先進(jìn)行烘干。將印刷好后的LTCC生瓷片置于高低溫試驗(yàn)箱中100 ℃下20 min，使?jié){料干結(jié)。

5)疊片:按預(yù)先設(shè)計(jì)的層數(shù)和次序依次將LTCC生瓷片疊放于疊片機(jī)，進(jìn)行疊片，疊片溫度40 ℃，在疊片的過(guò)程中，需要用碳膜對(duì)電容器空腔進(jìn)行填充。

本研究中所得數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量數(shù)據(jù)采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)采用x2檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

6)層壓:本次層壓采用的是溫水等靜壓。將疊片完成后的結(jié)構(gòu)真空封裝于2個(gè)平整的鋼片之間，將真空封裝的疊片置于層壓機(jī)中，15 MPa壓力下等靜壓20 min。

7)切片:此工藝是將多層生瓷胚體切成更小的部件或要求形狀。

8)燒結(jié):將切片好的傳感器放置于燒結(jié)爐中，按照提前設(shè)定好的溫度變化曲線燒結(jié)。

9)封口:第5步中由于用碳膜填充了空腔，留下了空氣通道，所以，要用玻璃漿料將其填充，填充好之后放在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，使玻璃漿料融化，將空氣通道的出口部分完全堵住。

圖3為基于LTCC的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器實(shí)物照片。

圖3 基于LTCC的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器實(shí)物照片

3 傳感器等效電路

傳感器的等效LC電路如圖4所示。其設(shè)計(jì)主要考慮平面螺旋電感器的設(shè)計(jì)和平板電容器的設(shè)計(jì)，平面螺旋電感器的設(shè)計(jì)和平行板電容器的設(shè)計(jì)[6]，可以采用以下公式得到

(1)

(2)

其中，μ=4π×10-7為真空磁導(dǎo)率，n為平面螺旋電感器的圈數(shù)，dn為第n圈電感器線圈的直徑，dn=(d1+d2+…+dn)/n，ρs=(dout-din)/(dout+din)，εr為L(zhǎng)TCC生瓷片的相對(duì)介電常數(shù)，ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù),dout為平面螺旋電感器的外圓的直徑，din為平面螺旋電感器的內(nèi)圓的直徑，ac為電容器極板的邊長(zhǎng)，a為電容器空腔的邊長(zhǎng)，tg為電容器空腔的高度，tm電容器空腔壓力敏感膜的厚度。基于上述原理，本文設(shè)計(jì)了諧振頻率約為18.5 MHz的基于LTCC的無(wú)線無(wú)源高溫壓力傳感器，設(shè)計(jì)平面電感Ls為7.39 μH，平面電容Cs為10.02 pF?；牧螸TCC生瓷片選用DupontTM951PT，其介電常數(shù)為7.8，印刷電感器和電容器圖案的金屬漿料選用的是與生瓷片相匹配的DupontTM6142D Ag。

圖4 傳感器等效電路

4 傳感器與天線耦合的等效電路

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線檢測(cè)LC回路的諧振頻率，通常采用電感線圈耦合的方式[7],即由天線的電感產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)天線靠近LC回路時(shí)，則會(huì)將交變磁場(chǎng)的能量通過(guò)LC回路中的電感線圈耦合到振蕩回路中，由于天線和LC回路電感線圈的耦合，使得天線上有一個(gè)明顯的電壓降，這個(gè)壓降點(diǎn)就是諧振頻率點(diǎn)。天線和LC諧振傳感器是無(wú)線接觸，能量是通過(guò)天線耦合到傳感器諧振回路，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)線無(wú)源檢測(cè)。

傳感器與天線的耦合等效電路如圖5所示。圖5中，La為天線電感，Ra為天線的等效電阻，Ls,Cs分別為傳感器的平面螺旋電感和平行板電容，Rs為傳感器電阻，Lm為天線和傳感器線圈的互感系數(shù)。

圖5 傳感器與天線耦合的等效電路

當(dāng)只有天線時(shí)，其兩端的阻抗為

Z(s)=jωLa+Ra.

(3)

當(dāng)LC諧振傳感器在天線檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，天線兩端的阻抗可以表示為

(4)

天線的電阻值Ra一般較小，從式(1)可見(jiàn)，其阻抗隨頻率近似線性變化。但是當(dāng)天線靠近傳感器時(shí)，由于線圈之間的相互耦合，從式(2)可得到其阻抗大小在傳感器的諧振頻率附近呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，而阻抗相位呈現(xiàn)先降低再增加的趨勢(shì)，具體波形如圖6所示。因此，通過(guò)測(cè)試天線兩端的阻抗大小及其相位變化，可以獲得傳感器的諧振頻率。

圖6 天線與傳感器諧振實(shí)測(cè)波形圖

5 傳感器的測(cè)試與分析

測(cè)試時(shí)，利用一個(gè)耦合線圈讀出電路(天線)在傳感器附近進(jìn)行掃頻測(cè)量，當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率與傳感器固有頻率耦合時(shí)發(fā)生共振導(dǎo)致輸入阻抗發(fā)生明顯變化，從而推算其傳感器壓力相關(guān)的固有頻率。根據(jù)力敏結(jié)構(gòu)的壓力—位移—電容—固有頻率傳輸函數(shù)，可以計(jì)算出壓力的大小。測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

為了測(cè)試不同壓力下傳感器的諧振頻率變化，搭建了了如圖7所示的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)由四部分組成：Agilent E4991A阻抗分析儀1臺(tái)，Druck Pace5000模塊化壓力控制器1臺(tái)，氮?dú)夤?個(gè)，壓力罐1個(gè)。

圖7 傳感器測(cè)試系統(tǒng)示意圖

測(cè)試流程：氮?dú)夤尢峁y(cè)試的氣流，氣壓控制設(shè)備會(huì)將氮?dú)夤掭斔瓦^(guò)來(lái)的氮?dú)膺M(jìn)行氣壓大小的調(diào)節(jié)，然后將大小可控的氮?dú)廨斔椭裂b有傳感器和測(cè)試電路的壓力罐，使氣壓罐產(chǎn)生一定數(shù)值的氣壓，從而進(jìn)行測(cè)量。電路輸出信號(hào)通過(guò)接插件由氣壓罐引出至阻抗分析儀，阻抗分析儀可以顯示出諧振頻率f。

此次測(cè)試，通過(guò)壓力控制器往壓力罐中一共輸入2個(gè)大氣壓，共采集到35個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果如圖8。

圖8 傳感器壓力—頻率關(guān)系圖形

當(dāng)天線與傳感器接近發(fā)生耦合時(shí)，由圖6可以看出：在18.209 2 MHz附近，阻抗值發(fā)生了突變，阻抗相位出現(xiàn)下降峰，這表明LC諧振傳感器的諧振頻率為18.209 2 MHz，這與設(shè)計(jì)頻率18.5 MHz有所差距，其原因是由于制作傳感器的工藝誤差，使得壓力傳感器的輸出頻率與設(shè)計(jì)的有所不同。

6 結(jié) 論

本研究對(duì)基于LTCC的無(wú)線無(wú)源LC諧振應(yīng)變傳感器的壓力傳感特性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)和制備了諧振頻率約18.209 MHz的傳感器，測(cè)試結(jié)果表明:傳感器的諧振頻率隨外加壓力的增加而減小，外界大氣壓力變化時(shí)，其諧振頻率變化靈敏度331.70 kHz/bar。本文所研究的基于LTCC的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器由于實(shí)現(xiàn)了無(wú)源和無(wú)線，可望應(yīng)用于非接觸壓力測(cè)試等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn):

[1] 豆 剛，蔣洪川，張萬(wàn)里，等.基于LC諧振的無(wú)線無(wú)源應(yīng)變傳感器研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(12):1687-1690.

[2] Jia Yi，Sun Ke，Agosto Fredrick Just .Design and characterization of a passive wireless strain sensor[J].Measurement Science Technology，2006 (17):2869-2876.

[3] Radosavljevic G,Zivanov L J,Smetana W,et al.A wireless embedded resonant pressure sensor fabricated in the standard LTCC technology[J].IEEE Sensor Journal,2009,9(12):1956-1962.

[4] Imakana Yoshihiko.Multilayered low temperature cofired cramics (LTCC) technology[M].[S.l.]:Springer Science，2004.

[5] 姬忠濤,張正富.共燒陶瓷多層基板技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)，2006，13(4):45-48.

[6] Fonseca M A,English J M,Arx M V,et al.Wireless microma-chined ceramic pressure sensor for high-temperature application-s[J].MEMS,2002,11( 4):337-343.

[7] Tan Ee Lim ，Ng Wen Ni ，Shao Ranyuan ，et al. A wireless，pa-ssive sensor for quantifying packaged food qulity[J]. Sensors，2007，7(11):1747-1756.