基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器研制

劉紅雨，李?yuàn)櫇桑醴f麟，李俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器研制

劉紅雨，李?yuàn)櫇桑醴f麟，李俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

介紹基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器的基本原理和理論模型，主要制作工藝流程和關(guān)鍵工藝難點(diǎn)。研究了LTCC內(nèi)埋型空腔的實(shí)現(xiàn)方法、犧牲層材料的選取和依據(jù)，并對(duì)無(wú)源氣壓傳感器的理論模型進(jìn)行仿真分析與實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明利用LTCC內(nèi)置空腔技術(shù)研制的氣壓傳感器測(cè)試結(jié)果與仿真分析吻合較好，諧振頻率隨外界壓力的增大而減小，諧振頻率隨壓力的變化近似于線性變化，在復(fù)雜環(huán)境內(nèi)依然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。

LTCC；內(nèi)埋型腔體；氣壓傳感器

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，人們要求電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小、重量越來(lái)越輕，可靠性的要求也越來(lái)越高，特別是在機(jī)載、艦載和星載等特殊應(yīng)用場(chǎng)合。LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics）技術(shù)靈活的腔體結(jié)構(gòu)形式使其在高密度集成方面顯示了優(yōu)勢(shì)。本文利用LTCC技術(shù)在高溫、高濕等惡劣環(huán)境下的優(yōu)異性能和靈活的腔體工藝，設(shè)計(jì)了基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器，使其在復(fù)雜環(huán)境下仍可保持高精度和高可靠性。

2 氣壓傳感器原理及設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器的基本構(gòu)成是可變電容和電感線圈組成的串聯(lián)LC諧振電路[1]，當(dāng)產(chǎn)生諧振時(shí)，傳感器的諧振頻率為：

在外界氣壓作用下，電容的極板間距d變小，導(dǎo)致式（1）、（2）中電容Cs變大，保持電感線圈Leq不變，則傳感器的諧振頻率f也將改變。因此，通過(guò)檢測(cè)傳感器諧振頻率的變化，通過(guò)式（1）、（2）可以換算出外界測(cè)試氣壓的大小。氣壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示[2]。

圖1 氣壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)模型

基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器耦合系統(tǒng)的等效電路如圖2所示，在信號(hào)測(cè)試端輸入掃頻的交變信號(hào)，通過(guò)讀取天線把掃頻信號(hào)通過(guò)電磁場(chǎng)的形式輻射出去，耦合到傳感器的電感線圈端[3～5]，當(dāng)掃頻信號(hào)的頻率與傳感器的諧振頻率相同時(shí)，會(huì)引起傳感器諧振，由于傳感器和讀取天線的電感線圈存在互感耦合，傳感器的諧振會(huì)引起讀取端天線的輸入阻抗、相位、電壓發(fā)生明顯變化，這些參量的明顯變化點(diǎn)就是傳感器的諧振點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這些參量的檢測(cè)可以得到傳感器的諧振頻率。

圖2 氣壓傳感器耦合系統(tǒng)的等效電路

3 LTCC氣壓傳感器仿真分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)LTCC氣壓傳感器模型進(jìn)行ANASY仿真，仿真參數(shù)根據(jù)圖1所示的氣壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)模型以及LTCC材料的基本參數(shù)確定。當(dāng)LTCC氣壓傳感器的電容上極板分別受到2個(gè)大氣壓作用時(shí)，上極板應(yīng)力的變化如圖3所示。

圖3 2個(gè)大氣壓作用下的電容極板應(yīng)變

當(dāng)電容上極板分別受到2個(gè)大氣壓時(shí)，上極板撓度的變化如圖4所示。

圖4 2個(gè)大氣壓作用下的撓度變化

4 氣壓傳感器生產(chǎn)工藝

根據(jù)串聯(lián)LC諧振電路原理，采用LTCC工藝制備無(wú)源氣壓傳感器，我們將銀漿通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式分別印刷在上下兩層生瓷片上，作為L(zhǎng)C諧振電路中電容的上下兩極；同樣利用絲網(wǎng)印刷的方式在DuPont951型生瓷片上印刷出螺旋形導(dǎo)帶作為L(zhǎng)C諧振電路中的電感。設(shè)計(jì)的電感線圈匝數(shù)為8圈，電感線圈間隙為0.6 mm，線圈寬度為0.3 mm，電容極板為7 mm×7 mm的方形極板，根據(jù)測(cè)算，平面螺旋總電感的值固定為2.25 μH。選用DuPont951型生瓷片作為氣壓傳感器基底材料，采用全銀系金屬化導(dǎo)通工藝，DuPont951型生瓷片材料的基本參數(shù)如表1所示。

表1 DuPont951型瓷片材料的基本參數(shù)

LTCC無(wú)源氣壓傳感器的主要工藝流程如圖5所示。

圖5 LTCC無(wú)源氣壓傳感器主要工藝流程

LTCC無(wú)源氣壓傳感器的研制過(guò)程中，切片、沖孔、通孔填充、絲網(wǎng)印刷等工序均使用LTCC的傳統(tǒng)工藝，要求沖孔精度高，通孔填充飽滿(mǎn)、無(wú)溢出，通孔互聯(lián)性好，金屬通孔互連偏差小于40 μm；印刷線條準(zhǔn)確無(wú)毛刺、粘連和斷開(kāi)，疊片準(zhǔn)確整齊。LTCC無(wú)源氣壓傳感器的典型尺寸為20 mm×20 mm，厚0.5 mm×0.5 mm。

LTCC無(wú)源氣壓傳感器與傳統(tǒng)的LTCC基板和器件不同的是其基板結(jié)構(gòu)不是常見(jiàn)的通腔或是階梯腔，而是內(nèi)埋型腔體。內(nèi)埋型腔體基板的制造不同于常規(guī)腔體，特別是在腔體填充與層壓以及燒結(jié)階段。其結(jié)構(gòu)上的特殊性要求制造技術(shù)必須做出相應(yīng)的調(diào)整。如果處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致腔體制造失敗，甚至導(dǎo)致整個(gè)基板失效。

5 關(guān)鍵工藝研究

LTCC無(wú)源氣壓傳感器研制的關(guān)鍵工藝是腔體填充、層壓和燒結(jié)。按LTCC基板制造工藝流程，LTCC腔體在經(jīng)過(guò)高壓等靜壓層壓和共燒這兩道工序后，產(chǎn)生變形是不可避免的，LTCC的腔體在高壓層壓和燒結(jié)時(shí)，腔體會(huì)產(chǎn)生變形，隨著溫度升高，腔體變形量變大，如圖6所示[6]。

圖6 LTCC腔體共燒時(shí)的變化

本文關(guān)注的主要是確保LTCC無(wú)源氣壓傳感器的內(nèi)埋型空腔氣密性完好，器件表面平整、無(wú)鼓包、塌陷現(xiàn)象，腔體形貌達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在LTCC器件制備過(guò)程中，為了減少腔體的變形，一般采用填充材料填入空腔，在層壓和燒結(jié)過(guò)程的排膠階段起支撐腔體作用。無(wú)論單腔或階梯腔，由于其腔體結(jié)構(gòu)是開(kāi)放的，在層壓和燒結(jié)后，腔體填充材料易于取出，對(duì)于本文中設(shè)計(jì)的含有內(nèi)埋空腔的LTCC器件，填充材料考慮的重點(diǎn)是不但要保證層壓時(shí)腔體不變形以及在燒結(jié)時(shí)與LTCC基板的收縮率匹配問(wèn)題，還要求填充材料在燒結(jié)后易于去除。

符合上述要求的犧牲層材料主要有石蠟、聚合物以及其他碳基材料等。石蠟主要用于鑄造行業(yè)，且熔點(diǎn)較低，顯然不適合作為腔體支撐材料；聚合物材料的熔點(diǎn)一般在200～400℃，而LTCC多層基板燒結(jié)時(shí)在600℃以上才明顯收縮，這時(shí)犧牲層材料早已揮發(fā)掉了，失去支撐的腔體還是會(huì)變形，導(dǎo)致腔體出現(xiàn)塌陷，作為電容上下兩極板的腔體上下表面貼合在一起，無(wú)法隨氣壓變化產(chǎn)生極板距離變化，達(dá)不到測(cè)試目的，器件生產(chǎn)失敗，如圖7所示。

圖7 未添加合適犧牲材料燒結(jié)后的空腔

圖8 添加碳基材料燒結(jié)后的空腔

碳基材料在800℃時(shí)才燒盡，在600～800℃時(shí)對(duì)腔體的支撐作用尚在，因此碳基材料最適于LTCC內(nèi)埋腔體的制作工藝。圖8為填充了合適的碳基材料后燒結(jié)完成后的腔體狀態(tài)，氣室結(jié)構(gòu)完整，經(jīng)過(guò)剖切測(cè)量，腔體電容上下極板距離為0.5 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

6 LTCC壓力傳感器樣品測(cè)試分析

隨著氣壓的不斷變化，氣壓傳感器的電容不斷發(fā)生變化，氣壓傳感器的受力情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)耦合到附近的天線中去，導(dǎo)致阻抗分析儀測(cè)得的諧振頻率不斷變化，通過(guò)對(duì)變化的頻率進(jìn)行分析推算出壓力的變化情況，最終完成壓力的測(cè)試。

利用外部天線和安捷倫E4991阻抗分析儀對(duì)試樣傳感器進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)傳感器受壓后由阻抗分析儀測(cè)得傳感器的頻率相位圖，如圖9所示。

圖9 傳感器受到應(yīng)變后的頻率響應(yīng)

通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算、仿真分析以及儀器測(cè)量的結(jié)果，能夠證明利用LTCC內(nèi)置空腔技術(shù)研制的氣壓傳感器測(cè)試結(jié)果與仿真分析吻合，測(cè)試重復(fù)度較好，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。

燒結(jié)后的LTCC無(wú)源氣壓傳感器實(shí)物照片如圖10所示。

圖10 LTCC無(wú)源氣壓傳感器實(shí)物照片

7 結(jié)論

本文提出了一種基于LTCC技術(shù)的無(wú)源氣壓傳感器，該傳感器利用LTCC材料的高溫特性，解決了傳統(tǒng)傳感器在高溫、高濕等惡劣環(huán)境中性能退化的問(wèn)題，非常具有參考價(jià)值。通過(guò)LTCC工藝技術(shù)對(duì)空腔填充碳基材料，有效地解決了陶瓷生片在層壓過(guò)程中發(fā)生腔體塌陷的問(wèn)題。

[1]邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2]杜雪亮，戴華平，吳烈.無(wú)源電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,3 (6):566-569.

[3]耿淑琴，郭躍，吳武臣.無(wú)源電感耦合式RFID讀寫(xiě)器天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電子器件,2008,31(2):564-567.

[4]康昊，譚秋林，秦麗，李晨，丁利瓊，張獻(xiàn)生.基于LTCC的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（4），498-501.

[5]李晨，熊繼軍，譚秋林，康昊，葛斌兒，王偉.基于LTCC技術(shù)的電容式無(wú)源壓力傳感器制備[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（6）：95-97.

[6]李有成，李海燕，王穎麟.LTCC腔體及微流道制作技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2014，35(1):22-26.

Development of LTCC-based Passive Atmospheric Pressure Sensor

LIU Hongyu,LI Shanze,WANG Yinglin,LI Jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.2Research Institute,Taiyuan030024，China）

In the paper,the basic principle and theoretical model of passive atmospheric pressure sensor based on LTCC technology,the main process and the key technology are presented.The paper mainly studies the realization method of LTCC buried cavity and the selection principles of sacrifice layer material.Then the simulation analysis and test are performed.The result shows that the structure of the atmospheric pressure sensor based on LTCC is relatively consistent with the simulation analysis.The resonant frequency decreases with the increase of external pressure.The resonant frequency linearly changes with the pressure.In the complex environment,the sensor is stillfunctional.

LTCC;buried cavity;atmospheric pressure sensor

TN305

A

1681-1070（2017）05-0005-03

劉紅雨（1987—），女，山西太原人，工學(xué)碩士，2014年畢業(yè)于中北大學(xué)，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，從事LTCC工藝研發(fā)工作。

2017-2-10