基于高溫燒結氧化鋁陶瓷的無線無源溫度傳感器*

任重，譚秋林，3，李晨，鄭庭麗，蔡婷，熊繼軍*(1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051; 3.重慶大學新型微納器件與系統技術國家重點學科實驗室，重慶400044)

基于高溫燒結氧化鋁陶瓷的無線無源溫度傳感器*

任重1，2，譚秋林1，2，3，李晨1，2，鄭庭麗1，2，蔡婷1，2，熊繼軍1，2*
(1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051; 3.重慶大學新型微納器件與系統技術國家重點學科實驗室，重慶400044)

通過高溫燒結技術獲得了總體尺寸為28 mm×28 mm×0.47 mm的氧化鋁陶瓷基板，結合厚膜技術在該基板上印刷無源LC串聯諧振電路，設計并制備了一種基于氧化鋁陶瓷的無線無源溫度傳感器。在18℃～300℃的溫度范圍內實現了傳感器的無線測試，測試結果表明該溫度傳感器呈現出了良好的線性特征，線性范圍大且非線性誤差小，其諧振頻率對溫度的靈敏度約為2.75 kHz/℃，可應用于高溫惡劣環境下的溫度檢測。

無線無源傳感器;溫度;高溫燒結;氧化鋁陶瓷;諧振頻率

盡管目前有多種不同類型的傳感器，但大多數都屬于有線有源傳感器，例如電容式傳感器［1-2］、基于阻抗譜測試的傳感器［3-4］等，但是它們需要傳感器與信號傳輸系統之間具有物理連接，又需要電源供應，使得其在如旋轉部件、無損監測、化學腐蝕、密封環境等特殊高溫場合中難以滿足要求［5-7］，而無線無源傳感器具有其獨特的優勢，可以合理避開且能很好地解決這些問題。近年來，無線無源傳感器得到了廣泛的研究和應用，包括聲表面波傳感器［8-9］、LC諧振傳感器［10-13］等。

鑒于氧化鋁陶瓷具有機械強度高，絕緣電阻大，硬度高，耐磨、耐腐蝕及耐高溫等優良性能［14］，本文以通過高溫燒結技術而獲得的氧化鋁陶瓷作為基板，設計并制備了一種集成片上電感及電容的無線無源溫度傳感器，并通過無線耦合的方式對其進行了溫度性能測試。與其他類型的無線無源溫度傳感器相比，它具有高溫性能穩定、線性范圍寬、非線性誤差小、靈敏度高等優點。

1 溫度傳感器工作原理

該溫度傳感器的等效電路模型主要是一個串聯式的LC諧振電路，包括電感Ls、電容Cs和電阻Rs(圖1-溫度傳感器)。傳感器的諧振頻率f0和品質因子Q，可由以下公式得到:

當傳感器所處環境的溫度發生變化時，主要通過影響兩電容極板之間陶瓷的介電常數，使傳感器的電容值發生變化，從而改變了傳感器的固有諧振頻率，而該變化的頻率信號可以通過一個帶測試天線的外部電路，以無線耦合的方式測試得到，其等效電路如圖1所示。

圖1 溫度傳感器與測試天線的等效電路

傳感器和天線之間的耦合系數k和互感Lm關系如下:

根據基爾霍夫定律以及變壓器理論可知，測試端的輸入阻抗Z:

式中f為天線輸入端信號的頻率。

通過式(1)、式(2)及式(4)，可得到輸入阻抗的實部、虛部、幅值和相位的表達式:

通過在測試天線端加載具有一定帶寬的掃頻信號，當該信號的某一特定頻率與傳感器的固有頻率相等時，電路會發生諧振。此時，輸入阻抗的實部達到極大值，并且輸入阻抗的相位將發生明顯的改變。因此，通過拾取輸入阻抗的實部或者相位隨掃頻信號頻率變化的這些特殊點，就可以表征傳感器工作時諧振頻率的大小，從而間接測出外界溫度信號值。

2 溫度傳感器的設計

溫度傳感器的設計結構如圖2所示，該溫度傳感器以制得三層陶瓷片厚度的氧化鋁陶瓷作為基板，并在其上、下表面印刷一層平面螺旋電感和一對平行極板電容，形成無源LC諧振電路。

電感設計為圓形平面螺旋電感(見圖2)，可通過以下公式計算電感值［15］:

式中n為電感圈數，ρ為填充比，davg為電感線圈的平均直徑，din為電感線圈的內徑，dout電感線圈的外徑，μ0=4π×10-7，c1、c2、c3和c4為與電感形狀相關的系數，在這里依次分別取值1、2.46、0和0.2。

電容設計為圓形極板電容(見圖2)，可通過以下公式計算電容值:

式中ε0為真空介電常數，εr為氧化鋁陶瓷的相對介電常數，tm為陶瓷基底的厚度，a為圓形極板的半徑。

圖2 溫度傳感器結構的截面示意圖

溫度傳感器的相關設計參數如表1所示，代入相關參數值，可以計算出溫度傳感器的電感Ls=2.02μH，電容Cs=8.95 pF，以及室溫下的諧振頻率f0=37.4 MHz。

表1 溫度傳感器的相關設計參數

3 溫度傳感器的制備

圖3 溫度傳感器制備的主要流程圖

選用96%氧化鋁生瓷帶材料來制備溫度傳感器，其主要流程圖如圖3所示。先通過疊片、熱壓、切片等工藝獲得具有三層陶瓷厚度的氧化鋁生瓷帶(圖3-2)，然后通過高溫燒結技術獲得致密結構并具有一定機械強度的氧化鋁陶瓷基板(圖3-3)，再利用絲網印刷技術在該基板上印刷銀漿料以形成圓形平面螺旋電感及圓形極板電容(圖3-4)，經過漿料與基板后燒成型后，最終加工出以氧化鋁陶瓷作基板的溫度傳感器(圖3-5)。所制得的溫度傳感器的實物圖如圖4所示，總體尺寸為28 mm×28 mm×0.47 mm。

圖4 溫度傳感器的實物圖

4 測試及討論

鑒于銅絲低成本、優良的機械及電學性能等特點，我們選擇線材1 mm直徑的銅絲(漆包線)，以繞制圓柱螺旋天線用于溫度傳感器的無線耦合測試。螺旋天線實物圖如圖5所示，它的外徑31.6 mm，圈數5.5，平均螺距5.45 mm，自諧振頻率為61.3 MHz，阻抗相頻特性曲線的有效帶寬范圍約為1 MHz～61.3 MHz。

圖5 螺旋天線實物圖

溫度傳感器的無線測試平臺如圖6所示，測試時溫度傳感器貼于隔熱爐門內側，通過Nabertherm LHT 02/16高溫臺式爐供熱，而測試天線置于隔熱爐門外側凹槽內，并與溫度傳感器之間具有10 mm厚度的隔熱層，即保持10 mm的耦合距離(天線與傳感器之間的最大耦合距離約為3 cm)。通過Agilent E4991A阻抗分析儀來測試天線端輸入阻抗的幅值、相位和阻抗實部隨掃頻信號頻率的變化，研究傳感器輸入參數(溫度)對輸出參數(諧振頻率)的影響。鑒于高溫爐在起始段加熱的不均勻性，為避免其可能帶來的測量誤差，我們設定加熱速率為5℃/min，并依次在室溫(18℃)、100℃以及100℃以后每變化25℃的溫度下記錄相應的阻抗特性數據。

圖6 傳感器隔熱測試平臺

測試時可以選擇輸入阻抗相位曲線(圖7(b))的波谷所對應的頻率，或者輸入阻抗實部曲線(圖7(c))的波峰所對應的頻率，來近似表征傳感器的諧振頻率。二者諧振頻率的測量值相差并不大，而且前者的測量值僅比后者略大。在這次測試過程中，我們選擇前者來表征傳感器諧振頻率的變化規律。

室溫(18℃)下測得傳感器的諧振頻率為35.975 MHz，測量值比理論設計值偏低，主要受加工誤差、耦合距離以及寄生電容因素的影響。

在溫度從18℃升至300℃的過程中，輸入阻抗的幅值、相位及阻抗實部也發生相應改變，如圖7所示。可以看出，隨著溫度的升高，輸入阻抗的幅值、相位及阻抗實部的曲線均向低頻率方向偏移，并且峰值均逐漸減小。這主要是因為:該溫度傳感器以氧化鋁陶瓷作為基底，在測試溫度范圍內，陶瓷的介電常數隨著溫度的升高而增大，平行極板電容增大，傳感器的諧振頻率減小，曲線均向低頻率方向偏移;溫度傳感器的等效串聯電阻Rs隨溫度的升高而增大，Rs越大，Q值越?。?6］，峰值均逐漸減小。

圖7 不同溫度下的輸入阻抗-頻率特性曲線

如圖8所示，在18℃～300℃的測試溫度范圍內，傳感器的諧振頻率-溫度曲線呈現出良好的線性特征。對測量得到的諧振頻率-溫度數據進行線性擬合，擬合方程為:

且線性擬合度為0.998 6，非線性誤差小且最大不超過0.058%。在測試溫度范圍內，溫度傳感器的諧振頻率對溫度的平均變化量為2.754×10-3MHz/℃，即溫度傳感器的靈敏度約為2.75 kHz/℃，靈敏度較高。

圖8 溫度傳感器諧振頻率隨溫度的變化曲線

5 結論

本文設計并制備了一種基于氧化鋁陶瓷的無線無源溫度傳感器，通過無線耦合的方式測試得到并討論了該傳感器的阻抗頻率響應特征，并探討了其測溫的線性范圍、非線性誤差及靈敏度。隨著溫度的升高，輸入阻抗的幅值、相位及阻抗實部的曲線均向低頻率方向偏移，并且峰值均逐漸減小;在18℃～300℃的測試溫度范圍內，傳感器的諧振頻率-溫度曲線呈現出良好的線性特征，線性擬合度為0.998 6，非線性誤差小且最大不超過0.058%，靈敏度約為

2.75 kHz/℃。

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任重(1987-)，男，湖北石首人，碩士，中北大學儀器與電子學院，研究方向為無線無源高溫壓力傳感器，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研究、微系統集成和動態測試技術等方面的研究，xiongjijun@nuc.edu.cn。

Wireless Passive Temperature Sensor Based on High Temperature Sintering Alumina Ceramic*

REN Zhong1，2，TAN Qiulin1，2，3，LI Chen1，2，Zheng Tingli1，2，CAI Ting1，2，XIONG Jijun1，2*

(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，China; 3.National Key Laboratory Fundamental Science of Mico/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

A wireless passive temperature sensor based on Alumina ceramic is designed and fabricated，where the alumina ceramic substrate is obtained with the overall size of28 mm×28 mm×0.47 mm through high temperature sintering technology，and passive LC series resonant circuit is printed on the substrate by thick film technology.A wireless test on the sensor is achieved under the temperature from 18℃to 300℃.The results show that the temperature sensor demonstrates good linear characteristics，large linear range and low non-linear error.The sensitivity of the sensor on resonant frequency to temperature is about2.75 kHz/℃.It can be applied to detect high temperature in harsh environments.

wireless passive sensor;temperature;high temperature sintering;alumina ceramic;resonant frequency

TP212.1

A

1004－1699(2014)05－0654－04

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.016

項目來源:高等學校優秀青年學術帶頭人支持計劃;國家自然科學基金重點項目(61335008)

2014-03-27

2014-04-15