LTCC高溫壓力傳感器溫漂特性研究*

羅　濤,譚秋林*,熊繼軍,紀夏夏,王曉龍,薛晨陽,張文棟

(1.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)

LTCC技術(shù)在近些年得到了飛速發(fā)展[1-3]。該技術(shù)起初是用來制造多層基板,由于技術(shù)成熟、工業(yè)化程度高以及應(yīng)用廣泛等特點,LTCC技術(shù)已經(jīng)成為了當前無源器件和系統(tǒng)集成的主流技術(shù)[4]。LTCC主要采用低溫(800 ℃～900 ℃)燒結(jié)瓷料與有機粘合劑/增塑劑按一定比例混合流延而成,由于其具有優(yōu)良的電學(xué)、機械、熱學(xué)及工藝特性,目前,LTCC技術(shù)被越來越多的應(yīng)用在傳感器、執(zhí)行器和微系統(tǒng)中[5-6]。LTCC技術(shù)應(yīng)用在傳感器制造中的典型即為LTCC壓力傳感器,由于其能應(yīng)用在高溫、高濕和強振環(huán)境中,對LTCC壓力傳感器的研究主要面向自動化、軍工、航空和航天等領(lǐng)域[7-9]。

基于LTCC技術(shù)的無線無源壓力傳感器最早始于Georgia Tech的Allen MG團隊,他們最早于1998年提出了“三明治”結(jié)構(gòu)的LTCC壓力傳感器[10]。之后賽爾維亞的一個研究小組對結(jié)構(gòu)做了改進[11],同時也對基于LTCC的傳感器做了大量的研究工作。國內(nèi)在基于LTCC技術(shù)的壓力傳感器上起步較晚,中北大學(xué)從2012年起在LTCC無線無源壓力傳感器方面做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果[12-13]。

通常需要對面向高溫環(huán)境應(yīng)用的傳感器件和系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和算法上進行溫度補償,溫漂特性研究作為溫度補償?shù)幕A(chǔ)和依據(jù),具有重大意義。本文進行了LTCC無線無源壓力傳感器的溫漂特性研究,通過對比實驗和理論推導(dǎo),確定了造成傳感器溫漂的主要影響因素,為溫度補償結(jié)構(gòu)和算法的實現(xiàn)提供了參考依據(jù)。

1　傳感器原理與結(jié)構(gòu)

基于諧振耦合原理,LTCC無線無源壓力傳感器通過外部天線與傳感器天線的近場耦合,實現(xiàn)壓力信號的實時讀取。其耦合模型如圖1中所示。圖1中La為讀取天線的電感,Ra為讀取天線的寄生電阻,對應(yīng)有Ls為傳感器天線的電感值,Rs為傳感器的寄生電阻,Cpar為傳感器線圈的寄生電容,Cs為壓力敏感電容,在壓力作用下Cs改變,導(dǎo)致傳感器諧振頻率f0變化。f0的表達式為:

(1)

圖1　耦合系統(tǒng)模型

在天線端輸入覆蓋傳感器諧振頻率的掃頻信號,通過提取天線端的阻抗參數(shù),如阻抗實部和相位,即可實現(xiàn)對傳感器諧振頻率變化的提取,從而可以無線讀取到壓力信號的變化。當掃頻信號頻率與傳感器頻率相同時,發(fā)生電磁諧振,諧振導(dǎo)致天線端的阻抗參數(shù)出現(xiàn)突變,因此通過提取天線端的阻抗參數(shù)便可實現(xiàn)對傳感器諧振頻率的檢測。通過提取天線端阻抗相位最小值來實現(xiàn)傳感器諧振頻率檢測的原理可由如下公式表示[14]:

(2)

其中fmin為天線端阻抗相位最小值所對應(yīng)的頻率值,k讀取天線與傳感器天線的耦合系數(shù),取值范圍為0到1,Q為傳感器的品質(zhì)因素,其值通常為30左右。因此,在讀取距離較遠時,k很小,而Q值又相對較大,根據(jù)式(2)可以近似認為fmin=f0。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)及實物照片

圖2為LTCC無線無源壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖。采用多層互聯(lián)技術(shù),實現(xiàn)了電感線圈與平行板電容的互聯(lián),玻璃微珠的作用是封堵排氣孔。在制造過程中,我們在空腔內(nèi)填充了犧牲層,這樣可以保證空腔的平整度和傳感器的靈敏度,因此排氣孔的作用是便于在燒結(jié)過程中碳膜的充分釋放。在壓力的作用下,空腔兩側(cè)的敏感膜發(fā)生變形,致使平行板電容值Cs變化,從而引起傳感器諧振頻率的變化。

2　高溫測試

為了研究LTCC無線無源壓力傳感器的高溫特性,我們搭建了如圖3所示的高溫測試系統(tǒng)。用鎢絲繞成線圈天線,將傳感器與鎢線圈保持位置固定,伸入馬弗爐內(nèi)。從鎢線圈的兩端引出鎢絲接在網(wǎng)絡(luò)分析儀上,從而可以實時讀取隨爐內(nèi)溫度變化的傳感器諧振頻率值。對LTCC壓力傳感器在600 ℃和一個大氣壓內(nèi)的測試曲線如圖4所示。從圖4可以看出,無壓力作用時,隨溫度升高,傳感器諧振頻率減小,在600 ℃時,傳感器的諧振頻率由常溫26.34 MHz減小到了23.6 MHz,變化了2.74 MHz,遠大于在一個大氣壓力作用下0.66 MHz的頻率減小值。

圖3　高溫測試系統(tǒng)

圖4　LTCC壓力傳感器溫度響應(yīng)特性曲線與壓力響應(yīng)特性曲線

為了研究造成LTCC壓力傳感器溫漂的主要因素,制作了基于LTCC襯底的片上螺旋和無腔LTCC傳感器,該無腔傳感器線圈尺寸與片上電感尺寸相同。無腔LTCC傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　無腔LTCC傳感器

采用無腔LTCC傳感器進行對比測試,排除了敏感膜變形對頻率漂移的影響。圖6為無腔傳感器的諧振頻率溫度特性測試曲線。圖6中數(shù)據(jù)表明,無腔傳感器仍存在明顯溫漂,可見造成傳感器溫漂的主要因素并非敏感膜形變。

圖6　無腔傳感器的高溫測試數(shù)據(jù)

圖7為LTCC基片上螺旋電感的高溫測試結(jié)果。圖7中的測試結(jié)果表明,溫度對傳感器電感值和寄生電容的影響很小,在600 ℃時,電感值的相對變化率為7.53%,寄生電容的相對變化率為5.51%。

圖7　電感和寄生電容高溫測試數(shù)據(jù)

3　溫漂特性分析

假設(shè)平行版電容Cs不隨溫度變化,根據(jù)式(1)可以反推出平行板電容Cs的表達式為:

(3)

將常溫下測試所得諧振頻率、電感和寄生電容值代入式(3)可得常溫下Cs的值為97.02 pF。假設(shè)Cs=97.02 pF隨溫度保持不變。由式(1),則有諧振頻率f0的變化僅與Ls和Cpar有關(guān),在假設(shè)條件下,將圖7中隨溫度的測試數(shù)據(jù)代入式(1)中計算所得諧振頻率溫漂與圖6中數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

圖8　假設(shè)條件下的諧振頻率溫漂與實測結(jié)果的比較

依據(jù)平行版電容Cs不變假設(shè)計算所得頻率在600 ℃時變化了0.442 53 MHz,占實際測試變化值的34.8%。由此可見,電感和寄生電容值的變化不是造成傳感器溫漂的主要因素,從而確定傳感器的溫漂主要受平行板電容值變化的影響。根據(jù)平行板電容的計算公式,無腔傳感器平行板電容Cs可以表達為:

(4)

其中,ε0為真空介電常數(shù),其值為8.85×10-12F/m。εr為LTCC材料的相對介電常數(shù)。A電容極板面積,t為極板間距。在無腔傳感器中,A和t受結(jié)構(gòu)熱膨脹的影響,杜邦951 LTCC材料的熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/℃,通過計算可得,在600 ℃時A與t的比值相對于常溫增大了0.000 58%,因此,熱膨脹造成的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的改變可以忽略不計。因此,可以確定平行板電容值的變化主要受LTCC材料相對介電常數(shù)變化的影響。

依據(jù)片上平面螺旋電感寄生電容的計算方法,傳感器的寄生電容可以表達為[15]:

(5)

在式(5)中,εr0為真空相對介電常數(shù),取值為1;εr為LTCC襯底的相對介電常數(shù),其值隨溫度變化;α和β是經(jīng)驗常數(shù)。tc為導(dǎo)線厚度,s為線間距,lg為線圈總長度,tc、s以及l(fā)g為線圈幾何參數(shù)值,其取值受熱膨脹的影響可以忽略不計。因此,寄生電容的變化也是由于LTCC材料相對介電常數(shù)變化所引起的。

將圖6和圖7中數(shù)據(jù)代入式(3)中,可以計算出Cs隨溫度變化的值。用εr(T)表示LTCC材料在溫度為T時的相對介電常數(shù)值,εr(0)表示常溫時LTCC材料的相對介電常數(shù)值,對于杜邦951 LTCC材料,有εr(0)=7.8。由式(4)可推導(dǎo)得出:

εr(T)=εr(0)·Cs(T)/Cs(0)

(6)

其中Cs(T)為溫度為T時所對應(yīng)的平行板電容值,Cs(0)為常溫下的平行板電容值,等于97.02 pF。由式(6)計算所得杜邦951 LTCC材料相對介電常數(shù)隨溫度變化的數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9　杜邦951 LTCC材料相對介電常數(shù)溫度特性

綜合以上分析,可得傳感器溫漂主要受LTCC材料的相對介電常數(shù)εr變化的影響。

從圖9所示數(shù)據(jù),可得在600 ℃時,杜邦951 LTCC材料的相對介電常數(shù)由常溫7.8增大到9.04。因此,可以看出利用杜邦951 LTCC材料制備的無線無源壓力傳感器的溫漂主要受材料在高溫下相對介電常數(shù)變化的影響。

4　結(jié)論

本文研究了LTCC無線無源壓力傳感器的溫漂特性。搭建高溫測試系統(tǒng),制作了LTCC基片上螺旋電感和無腔傳感器,通過對比實驗,得出了LTCC無線無源壓力傳感器的溫漂主要受LTCC材料相對介電常數(shù)變化的影響。通過實驗數(shù)據(jù)分析,通過計算推導(dǎo)得出了杜邦951 LTCC材料在600 ℃內(nèi)的相對介電常數(shù)溫度曲線。結(jié)果表明,杜邦951LTCC材料的相對介電常數(shù)在600 ℃時由常溫的7.8增大到9.04。

測試結(jié)果表明LTCC無線無源壓力傳感器在實際工程應(yīng)用中須具有相應(yīng)的溫度補償方法,能從結(jié)構(gòu)和算法上對傳感器溫漂進行補償,本文的研究結(jié)論為后續(xù)的溫度補償技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

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羅濤(1990-),男,湖南澧縣人,碩士,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,研究方向為無線無源傳感器,18935157540@163.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,副教授,中北大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人,中國微米納米技術(shù)學(xué)會高級會員,國際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向為光學(xué)氣體傳感器及檢測技術(shù)、無線無源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲技術(shù),tanqiulin.99@163.com。