LC諧振式壓力傳感器的高溫關鍵參數研究*

鄭庭麗,趙衛軍,梁 庭,洪應平,任 重,李賽男,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.北京宇航系統工程研究所,北京 100000)

?

LC諧振式壓力傳感器的高溫關鍵參數研究*

鄭庭麗1,2,趙衛軍3,梁 庭1,2,洪應平1,2,任 重1,2,李賽男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.北京宇航系統工程研究所,北京 100000)

無線無源高溫壓力傳感器在高溫、高壓等惡劣環境中應用日益廣泛,其耐高溫性能已成為衡量傳感器的一項最基本且重要的指標。利用低溫共燒陶瓷LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)技術,分別設計和制作了陶瓷基片上電感及電容器件,并進行高溫特性測試,通過討論和分析確定了造成電感和電容隨溫度變化的原因。測試結果表明:在100 ℃～500 ℃溫度范圍內,電感L基本保持不變,等效串聯電阻R增大了2.7倍,電容C增大了5.3%,從而LC諧振傳感器的品質因數Q減小了72.8%。該測試及分析對高溫環境下基于LC諧振式壓力傳感器的優化設計具有重要的指導意義。

高溫壓力傳感器;LTCC;電感;電容

在惡劣環境條件下對壓力測試的需求日益增大,尤其在高溫環境方面,如渦噴發動機尾噴壓力的測試,高速飛行體在大氣中飛行時對其自身壓力環境的測試[1]。現有的MEMS壓力傳感器由于高溫環境下電引線性能退化以及壓力敏感結構被破壞導致傳感器無法正常工作,因此,研究設計適用于極端環境下的高可靠性能的傳感器顯得尤為重要。基于陶瓷材料的LC諧振傳感器可以很好的解決上述問題[2-4]。近幾年,關于使用低溫共燒陶瓷(LTCC)和相關工藝[5-6]來制作的高溫壓力傳感器的研究逐漸成為熱點[7-8],能夠滿足600 ℃左右的高溫環境應用。傳感器結構穩定性和整體封裝是考驗傳感器在高溫條件下性能的關鍵性問題。為實現高溫壓力傳感器在高溫環境下的高穩定性和高可靠性,面臨的將技術重點與難點主要體現在傳感器自身的高溫關鍵特征參數的研究。

本文提出了一種基于LTCC的LC諧振傳感器,并分別設計、制作了傳感器的電感和電容結構,通過測試溫度對傳感器的電感L、R,電容C和品質因數Q的影響來分析傳感器的高溫性能。為后續提高壓力傳感器在高溫環境下的穩定性以及可靠性奠定了基礎。

1 原理

基于LTCC的無源無線壓力傳感器其實是由矩形平面螺旋電感線圈和電容串聯組成的LC諧振電路,其結構圖如圖1所示。當傳感器受到外界壓力時,電容兩極板間距變化,導致電容大小變化,從而使傳感器的諧振頻率改變。因此,根據互感耦合的原理來檢測傳感器的諧振頻率變化,就可以獲得外界壓力的大小。

圖1 傳感器結構圖

傳感器的諧振頻率為

(1)

LC諧振傳感器品質因數Q是用來衡量傳感器的重要參數,較高的Q值有利于傳感器信號的檢測與提取,其Q值為

(2)

通常情況下,需要將無源壓力傳感器放置于高溫環境中,溫度變化會對該結構的相關參數產生影響,從而影響整個LC諧振傳感器結構的性能。為了更好的研究高溫下壓力傳感器的各項參數,我們分別設計與制作了電感和電容結構。

圖2 電感結構剖面圖

2 設計與制備

通過LTCC厚膜印刷技術和多層疊片技術[9-13],再經過適當的工藝步驟,可以制備出符合設計要求的基于LTCC技術的電容和電感結構。我們采用Dupont 951陶瓷片作為基底材料,Dupont 6142D銀漿料作為絲網印刷材料。

本文的電感采用3層結構,其剖面圖如圖2所示。首先,將切制好的35 mm的方形3層生瓷片分別進行沖壓、打孔,并將各層生瓷片通過絲網印刷工藝印制出相應的圖形,再將每層制備好的生瓷片進行烘干、疊片、層壓、燒結處理。圖3為制備好的完整LTCC平面螺旋電感實物圖。本文中為了使耐高溫銀導線與陶瓷電感能夠焊接上,我們采用Ag72Cu28預成型焊料片焊接。

圖3 電感結構實物圖

對于平面螺旋電感線圈,其電感為

(3)

其中u0為真空磁導率,n為方形螺旋電感圈數,dout和din分別為螺旋電感線圈外直徑和內直徑。

其電感的等效串聯電阻為

(4)

其中ρ為金屬電阻率,r為螺旋電感線圈的厚度,w和s分別為線寬和線間距。

圖4為電容結構剖面示意圖,該結構為4層陶瓷片堆疊而成,內含兩層空腔。與電感制備一樣,先將25 mm的4層方形生瓷片分別沖壓、打孔、絲網印刷以及干燥處理,但在疊片層壓前需要在兩層空腔內填充上碳膜,在燒結過程中,碳膜在高溫空氣中氧化成氣體通過陶瓷間的疏通氣孔排出,避免空腔塌陷,通過燒結工藝的電容結構實物如圖5所示。

圖4 電容結構剖面圖

圖5 電容結構實物圖

當電容空腔未受到外界壓力作用時,其電容為

(5)

其中tg為電容空腔高度,εr為陶瓷介電常數,ε0為真空介電常數,a為方形電容空腔邊長。

經計算,電感L=3.71 μH,等效串聯電阻R=2.87 Ω,電容C=17 pF。

3 高溫測試與討論

搭建如圖6所示的測試系統,該測試系統由Agilent E4991A阻抗分析儀、測試臺、高溫爐和隔熱爐門組成。對基于LTCC基底的電感和電容結構分別進行高溫測試,將電感和電容結構分別放置于高溫爐內,通過高溫銀導線與阻抗分析儀端的測試臺連接。高溫爐內溫度設置從100 ℃上升到500 ℃。

圖6 測試系統

電感結構的電感值和電阻值隨溫度變化的結果如圖7、圖8所示。

圖7 電感L隨溫度變化曲線

圖8 電阻R隨溫度變化曲線

從圖中可以看出電感值基本不隨溫度的變化而發生變化,這主要是由于陶瓷材料的收縮率隨溫度變化不大導致電感L基本保持不變。但電阻值隨溫度變化很明顯,從常溫下的2.87 Ω增加到了500 ℃時的10.36 Ω,變化量為原始值的2.7倍。根據電阻率溫度系數的公式,即

(6)

其中,R1和R2分別為兩溫度對應的電阻值大小,ΔT為溫度變化范圍。本文中絲網印刷的材料采用的是Dupont 6142D銀漿料,其電阻溫度系數TCR約為0.003 8(20 ℃)/℃,而LC諧振傳感器的電阻初始值為2.87 Ω,當溫度升高至500 ℃時,根據式(6)可以計算出500 ℃時的電阻約為8 Ω,而實際測試得到的電阻值為10.36 Ω,相差2.36 Ω。由此分析:一方面從電感線圈本身考慮,銀電阻的熱膨脹系數查表得知銀為19.5×10-6/℃,考慮到線圈的長度是固定的,所以通過計算得出線寬膨脹了0.003 7 mm,對于電阻變化來說可忽略不計。另一方面從外界因素考慮,由于是電感線圈是單獨引線,雖然采用耐高溫的電阻系數較小的純銀導線,但是有一部分銀導線是放置于高溫爐內,這難免會引起寄生電阻的增大。因此,可以確定電阻隨溫度增大最主要原因是由于其電阻溫度系數導致的。

圖9 電容C隨溫度變化曲線

圖9為電容結構的電容值隨溫度變化的結果。溫度對電容值的影響也很大,當溫度從100 ℃升高至500 ℃時,電容值從17 pF增加至18.1 pF。從平行板電容的計算式(5)分析,其中受溫度影響的因素為:LTCC材料本身的相對介電常數εr隨溫度變化,以及由于熱膨脹導致電容極板面積a2和電容空腔厚度tg變化。常溫下,LTCC材料的相對介電常數εr為7.8,此時的電容值為17 pF,隨著溫度升高至500 ℃時,其相對介電常數變為8.4左右,此時根據公式計算出電容值為18.3 pF(不考慮升溫時材料的熱膨脹)。而實驗測得的500 ℃電容值為18.1 pF,比計算值減少了0.2 pF,這可能是由于其他因素產生的寄生參數。一方面可能是LTCC材料升溫時的熱膨脹所導致。本文的電容制作是基于Dupont 951的低溫共燒陶瓷,其熱膨脹系數為5.8×10-6/℃。由于電容腔厚度約為100 μm,其熱膨脹可忽略不計,所以通過計算可得,電容極板的面積膨脹了0.0004 mm2左右,這對于電容值變化來說可忽略不計。另一方面是基于LTCC材料的電容空腔上下極板會由于高溫蠕變而產生塑性形變,從而引起電容值的變化。因此,可以確定電容值隨溫度增大最主要原因是由于其制作材料的相對介電常數的溫度系數導致的。

由上述基于LTCC基底的電感及電容串聯組成的LC諧振傳感器的品質因數Q隨溫度變化的結果如圖10所示,溫度由100 ℃上升到500 ℃時,品質因數Q減小了72.8%。品質因數Q是用來描述LC諧振電路的質量或其諧振能力,Q值越高,意味著LC諧振電路儲能的效率越高,這對LC諧振傳感器的信號檢測來說是至關重要的。所以選擇電阻率溫度系數較小的金屬材料來制作電感線圈,介電常數溫度系數較小的陶瓷材料來制作電容,以減小溫度變化對傳感器Q值的影響。

圖10 品質因數Q隨溫度變化曲線

對基于LC諧振原理的傳感器來說,其電感線圈的電阻率以及制作基底材料的介電常數都隨溫度變化而改變,溫度對LC諧振傳感器的影響不可完全避免,因此針對這類無線無源壓力傳感器,可以從其結構和算法上進行溫度補償,使傳感器在實際工程中有更廣泛的應用。

4 結論

本文提出了一種基于LTCC的LC諧振傳感器的電感和電容器件設計、制作,并進行高溫特性測試,得出在100 ℃～500 ℃溫度范圍內,電感L隨溫度基本保持不變,串聯電阻R增大了2.7倍,電容C增大了5.3%,導致LC諧振傳感器的品質因數Q減小了72.8%。通過討論和分析得出了造成電感和電容隨溫度變化的原因。因此,選取電阻率溫度系數較小的金屬材料制作電感線圈以及介電常數溫度系數較小的陶瓷材料制作電容空腔,可以減小溫度對電感和電容的影響,從而減小溫度對LC諧振傳感器Q值的影響,有利于傳感器信號的傳輸。這為基于LC諧振式壓力傳感器以后在高溫環境下的應用奠定了基礎。

[1] Wemer M R,Fahrner W R. Review on Materials,Microsensors,Systems,and Devices for High Temperature and Harsh Environment Applications[J]. IEEE Transaction on Electronics,2001,48(2):249-257.

[2]Fonseca M A. Polymer/Ceramic Wireless MEMS Pressure Sensors for Harsh Environments:High Temperature and Biomedical Applications. Technology[D]. School of Electrical and Computer Engineering,Georgia Institute of Technology,2007.

[3]English J M,Allen M G. Wireless Micro-Machined Ceramic Pressure Sensors[C]//Proceedings of Micro-Electromechanical Systems. Orlando,FL,USA,1999:511-516.

[4]王淵朝,彭斌,黃武林,等. 一種LC諧振無線無源溫度傳感器的研究[J]. 傳感技術學報,2013,10(26):1341-1344.

[5]趙聰,陳池來,陳然,等. 一種基于厚膜工藝的高集成度FAIMS遷移管的研制[J]. 分析儀器,2012(2):7-9.

[6]Imanaka Y. Muhilayered Low Temperature Cofired Ceramics(LTCC)Technology[M]. Beijing:Science Press,2010:1-11.

[7]Xiong J J,Li Y,Hong Y P,et al. Wireless LTCC-Based Capacitive Pressure Sensor for Harsh Environment[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2013,197:30-37.

[8]張曉莉,陳水金. 耐高溫壓力傳感器研究現狀與發展[J]. 傳感器與微系統,2011,30(2):1-4.

[9]張麗華,張金利. LTCC工藝技術研究[J]. 半導體技術,2010,35(8):811-812.

[10]呂琴紅,李俊. 低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝的研究[J]. 電子工業專用設備,2009(10):23-25.

[11]康昊,譚秋林,秦麗,等. 基于LTCC的無線無源壓力傳感器的研究[J]. 傳感技術學報,2013,4(26):498-501.

[12]Karol M,Leszek J G. Mierochannel Fabrication Process in LTCC Ceramics[J]. Microoelectronics Reliability,2008,48(6):866-871.

[13]Khoong L E,Tan Y M,Lam Y C. Overview on Fabrication of Three-Dimensional Structures in Multi-Layer Ceramic Substrate[J]. Journal of the European Ceramic Society,2010,30(10):1973-1987.

鄭庭麗(1989-),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向為無線無源高溫壓力傳感器,ztl442@163.com;

熊繼軍(1971-),男,湖北人,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為傳感器技術、微納器件與系統研究,xiongjijun@nuc.edu.cn。

HighTemperatureKeyParametersResearchofLCResonantPressureSensor*

ZHENGTingli1,2,ZHAOWeijun3,LIANGTing1,2,HONGYingping1,2,RENZhong1,2,LISainan1,2,XIONGJijun1,2*

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Beijing aerospace systems engineering research institute,Beijing 100000,China)

The applications of wireless passive pressure sensor in harsh environments,such as high temperature and high pressure,is becoming more and more widely. The high temperature resistant performance has become one of the most basic and important indexes of the sensor. Using low temperature co-fired ceramic(LTCC)technology,the inductor and capacitor based on ceramic substrate has been designed and fabricated respectively,the high temperature properties test is also carried out,and the causes of the inductor and capacitor which are varied with temperature,through the discussion and analysis are determined. With the temperature range from 100 ℃ to 500 ℃,test results show that inductanceLbasically remains the same,the resistanceRincreases by 2.7 times,the capacitanceCincreases by 5.3%,thus the quality factorQdecreases by 72.8%. The test and analysis have an important guiding significance for optimization design of theLCresonant pressure sensor in high temperature environment.

high temperature pressure sensor;LTCC;inductor;capacitor

項目來源:國家973項目(2010CB334703);國家自然科學基金重點項目(61335008)

2014-05-28修改日期:2014-08-16

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.006

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)10-1332-04