一種新型無(wú)源電容式溫度傳感器的制備與測(cè)試

武晉波, 楊 衛(wèi), 張雪蓮

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

0 引 言

在高溫、機(jī)械旋轉(zhuǎn)和密閉空間等惡劣環(huán)境中，無(wú)源傳感器在長(zhǎng)期穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用[1]。在眾多物理參數(shù)中，溫度的測(cè)量最為普遍，其應(yīng)用涉及工業(yè)自動(dòng)化、航空航天和公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[2～4]。面向高溫環(huán)境下的溫度測(cè)量，現(xiàn)有的溫度傳感器大體上可分為熱電偶、光纖溫度傳感器、聲表面波溫度傳感器以及無(wú)源LC溫度傳感器這四大類。無(wú)源LC溫度傳感器由于其無(wú)需電池供電和引線連接讀取信號(hào)，因而可以大大拓展了其應(yīng)用溫度范圍和使用壽命。近些年，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)科研院所在進(jìn)行無(wú)源LC溫度傳感器的研究工作。University of Puerto Rico的Wang Y教授的研究小組已在面向滾動(dòng)軸承關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測(cè)的無(wú)源LC溫度傳感器上做了大量研究工作[5]，通過(guò)采用高介電常數(shù)的鐵電陶瓷作為敏感電容介質(zhì)，傳感器在235 ℃內(nèi)具有較好線性度和客觀的靈敏度。Andò B等人提出了一種基于MEMS溫度敏感電容的無(wú)源LC傳感器，其能實(shí)現(xiàn)500 ℃內(nèi)的溫度測(cè)量[6]。國(guó)內(nèi)，電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭斌老師的研究小組于2013年提出了一種基于高介電常數(shù)陶瓷基板的無(wú)源 LC溫度傳感器[7]，其在140 ℃內(nèi)獲得了-2.3 kHz/℃的靈敏度。目前，越來(lái)越多的測(cè)試環(huán)境要求能實(shí)現(xiàn)500 ℃以上溫度的非接觸無(wú)源測(cè)量，因此,亟需研究適于更高溫度測(cè)量用的無(wú)源溫度傳感器。

本文基于低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝，采用犧牲層填充技術(shù)，將高居里點(diǎn)鐵電介質(zhì)陶瓷材料嵌入LTCC內(nèi)置空腔作為溫度敏感介質(zhì)材料，成功制備出了一種LTCC無(wú)源電容式溫度傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了從常溫到700 ℃的溫度特性測(cè)試，測(cè)試表明：該結(jié)構(gòu)傳感器具有良好的溫度敏感特性。

1 傳感器原理與結(jié)構(gòu)

1.1 傳感器原理

本文涉及的無(wú)源電容式溫度傳感器基于LC諧振原理，由電感線圈和可變電容器串聯(lián)組成，其中可變電容器的容值隨環(huán)境溫度的變化而變化。傳感器可以簡(jiǎn)化為一個(gè)LC環(huán)路[8,9]，其諧振頻率為

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其中,Ls為傳感器的等效電感，Cs為傳感器的等效電容。傳感器諧振頻率的變化可以用一個(gè)線圈天線在一定距離內(nèi)無(wú)線讀取獲得，通過(guò)在天線端輸入覆蓋傳感器諧振頻率的掃頻信號(hào)，當(dāng)天線與傳感器靠近時(shí)，天線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)通過(guò)傳感器上的線圈，在傳感器上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，一部分能量通過(guò)互感耦合到傳感器端，當(dāng)天線端的掃頻信號(hào)頻率與傳感器的諧振頻率相同時(shí)，傳感器諧振，同時(shí)，傳感器諧振會(huì)引起天線端阻抗參數(shù)的變化，如阻抗實(shí)部、虛部、相位和幅值[10]。因此，通過(guò)檢測(cè)天線端阻抗參數(shù)的變化，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)參數(shù)的無(wú)線讀取。讀取系統(tǒng)電路模型如圖1所示，其中La為讀取線圈電感，Rs為傳感器的等效電阻，M為讀取線圈與傳感器線圈的互感。

圖1 耦合系統(tǒng)電路模型

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)

圖2所示該傳感器的網(wǎng)版圖和結(jié)構(gòu)截面圖，傳感器采用雙層平面螺旋電感串聯(lián)平行板電容器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)過(guò)孔實(shí)現(xiàn)上下層電感線圈的連接，采用雙層平面螺旋電感的結(jié)構(gòu)是為了盡可能增強(qiáng)傳感器線圈與讀取天線之間的耦合強(qiáng)度，有利于高溫環(huán)境下信號(hào)的讀取。上下層電感線圈尺寸參數(shù)完全相同，但其線圈繞向相反，這是因?yàn)樯舷聦泳€圈繞向相同會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)磁場(chǎng)方向相反產(chǎn)生抵消，不利于傳感器耦合效果的增強(qiáng)。上下電容極板中間介質(zhì)為L(zhǎng)TCC和鐵電陶瓷，隨著外界環(huán)境溫度的升高，LTCC材料和鐵電陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)增大，導(dǎo)致平行板電容器的電容值發(fā)生增大，最終反映為傳感器諧振頻率的減小，傳感器諧振頻率的變化則可通過(guò)外部讀取天線無(wú)線讀取?？紤]到制備過(guò)程中填充了犧牲層，因此，傳感器還具有排氣通道和排氣孔，其作用是保證犧牲層在燒結(jié)過(guò)程中揮發(fā)排氣順暢，可以避免氣體膨脹導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)的破壞。

圖2 傳感器網(wǎng)版和結(jié)構(gòu)截面圖

2 傳感器制備

傳感器結(jié)構(gòu)由7層DuPont 951 AT LTCC瓷片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)LTCC工藝做了改進(jìn)，采用犧牲層填充技術(shù)，將鐵電陶瓷嵌入到LTCC襯底中。如圖3中所示，傳感器的制備過(guò)程大體上可以分為以下6個(gè)步驟：

圖3 傳感器制備的工藝流程

1)打孔:通過(guò)將圖2中所示的CAD網(wǎng)版圖轉(zhuǎn)化為打孔文件導(dǎo)入打孔機(jī)，打孔機(jī)根據(jù)打孔文件自動(dòng)執(zhí)行打孔動(dòng)作，這個(gè)過(guò)程將在相應(yīng)生瓷片上打好定位孔、過(guò)孔、空腔、排氣通道以及排氣孔，如圖3(a)所示。定位孔的作用是為絲網(wǎng)印刷和疊層過(guò)程中提供對(duì)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)。

2)微孔填充:在打孔完畢后，采用Dupont 6146D Ag漿料進(jìn)行微孔填充，微孔填充是為了實(shí)現(xiàn)上下層電感的互連。首先將漿料均勻涂抹在微孔填充機(jī)載物板上，后將過(guò)孔網(wǎng)版置于漿料層之上，之后將生瓷片與網(wǎng)版對(duì)準(zhǔn)后置于網(wǎng)版上，最后將載物板送入填充機(jī)，利用填充劑頂層抽吸的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)孔的填充，如圖3(b)所示。

3)絲網(wǎng)印刷:如圖3(c)所示，在微孔填充完成后，進(jìn)行電感和電容極板圖形的印刷，將網(wǎng)版置于絲網(wǎng)印刷機(jī)上，待生瓷片與印刷網(wǎng)版對(duì)準(zhǔn)后在網(wǎng)版上涂抹Dupont 6142D Ag漿料，通過(guò)精密絲網(wǎng)印刷使各層生瓷片形成所需要的電路圖形。印刷過(guò)程中要嚴(yán)格控制刮刀速度和刮刀角度，因?yàn)檫@些因素直接影響到印刷圖形的質(zhì)量，比如:刮刀速度過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)漏印，圖像不清晰等情況。

4)疊片:如圖3(d)中所示，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各生瓷片的位置關(guān)系，將烘干的生瓷片在疊片機(jī)中進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)疊片，在這一步驟中，先進(jìn)行下面6層生瓷片的疊片，再將鐵電陶瓷和犧牲層材料依次填入下面6層生瓷片所形成的空腔中，最后再將最表面一層生瓷片對(duì)準(zhǔn)疊片。ESL49000碳膜被用來(lái)作為犧牲層材料，其具有與LTCC生瓷片十分相近的厚度值，填入犧牲層的作用是保證電容極板在層壓過(guò)程中坍塌破裂。

5)層壓:首先對(duì)疊片好的多層基板胚體進(jìn)行真空包裝，這是避免層壓過(guò)程中基板浸水，然后將包裝好的基板胚體置入層壓機(jī)中，在15 MPa和70 ℃的環(huán)境下等靜壓20 min，等靜壓提供了均勻的壓力載荷，保證了結(jié)構(gòu)在層壓后的完整性，層壓后的傳感器胚體截面如圖3(e)所示。

6)燒結(jié):將層壓過(guò)后的胚體置于烘干爐中，在70 ℃下進(jìn)行烘干，然后將其置入燒結(jié)爐中按圖4所示溫度曲線進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)后，多層LTCC胚體成為一個(gè)整體。前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮到了LTCC材料在燒結(jié)后會(huì)產(chǎn)生尺寸上的收縮，嵌入式空腔尺寸在燒結(jié)前略大于鐵電陶瓷的尺寸，這樣就能保證在燒結(jié)收縮后，鐵電陶充滿空腔，燒結(jié)制備出的傳感器實(shí)物和截面顯微照如圖5所示。

圖4 傳感器燒結(jié)溫度曲線

圖5 傳感器實(shí)物和截面顯微照

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖6所示為傳感器的高溫測(cè)試系統(tǒng)示意圖，由于鎢具有良好的高溫穩(wěn)定性，故選用鎢線圈來(lái)無(wú)線讀取傳感器信號(hào)，將鎢線圈和傳感器置入馬弗爐中，使其保持一定的耦合距離，將鎢線圈兩端引出接在安捷倫E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀上，通過(guò)提取天線端阻抗相位最小值所對(duì)應(yīng)的頻率來(lái)進(jìn)行傳感器溫度特性的標(biāo)定。圖7所示為傳感器在700 ℃內(nèi)的頻率溫度敏感特性曲線，從室溫到700 ℃的過(guò)程中，傳感器的諧振頻率由18.35 MHz減小到了13.58 MHz，其平均靈敏度為-7.33 kHz/℃。

圖6 高溫測(cè)試系統(tǒng)

圖7 傳感器的溫度特性曲線

4 結(jié) 論

面向高溫、機(jī)械旋轉(zhuǎn)和密閉空間等惡劣環(huán)境中的原位溫度測(cè)量難題，本文研究了一種新型無(wú)源電容式溫度傳感器的制備方法并對(duì)制備的傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試?；贚TCC工藝，結(jié)合犧牲層填充技術(shù)，以高居里點(diǎn)的鐵電陶瓷為溫度敏感介質(zhì)材料，成功制備出了一種基于Dupont 951AT LTCC襯底的新型無(wú)源電容式溫度傳感器。該傳感器利用鐵電陶瓷在居里溫度內(nèi)具有單調(diào)遞增的介溫特性，將其填充作為電容介質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)了能穩(wěn)定工作到700 ℃的新型無(wú)源溫度傳感器，其具有-7.33 kHz/℃的平均靈敏度。

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