基于低溫共燒陶瓷的無線無源傳感器設計*

楊明亮, 譚秋林, 熊繼軍, 康 昊, 李 晨

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 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，山西 太原030051)

0 引 言

目前，物理參數的無線測量在醫學、自動化、航空航天等許多領域有廣泛應用，如對于生物體內器官和血管狀態的實時監測和運動物體內部的遙測等[1]，就是采用無線測量實現的。無線無源傳感器沒有電源直接供電，它是靠電磁波的能量供給傳感器工作。目前雖然有各種類型的壓力傳感器，但大多都是基于有線有源的壓力傳感器[2]，它們既需要物理連接的信號傳輸系統，又需要電源供應，這就限制了傳感器在許多需要進行無線測試場合的應用，同時，這些傳感器也不能應用在高溫環境[3]。所以，設計和研究一種能在高溫和惡劣環境應用的無線無源壓力傳感器是很有必要的。

本文研究了基于低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)材料的LC諧振無線無源壓力傳感器，設計了平面螺旋電感器和平行板電容器，制備了基于LTCC材料的壓力傳感器，進行測試，研究了無線無源傳感器的特性。該傳感器是電容式壓力傳感器，它具有可動極板的電容器作為壓力敏感元件，將外部壓力轉換為電容值的變化。

1 傳感器的設計

傳感器的的諧振原理是基于一種無源LC諧振電路。傳感器的諧振頻率可以表示為

(1)

式中Ls和Cs分別為傳感器的電感和電容。由公式可以看出，電感或者電容發生變化，LC諧振回路的諧振頻率fH都將改變。本次設計傳感器，利用外界壓力變化改變電容大小，使得傳感器頻率發生變化。因此，通過檢測LC回路的諧振頻率的變化就可以獲得外界壓力的大小。

圖1為傳感器模型截面圖。整個傳感器由4層LTCC瓷片組成，第一層和第四層印刷有圖2所示的圖案，電感器為平面螺旋電感器，電容器為正方形極板的平行板電容器，電感器和電容器的設計尺寸分別由表1和表2給出。第一層和第四層的金屬圖案通過通孔連接，形成一個LC回路。由于LTCC生瓷片在燒結時會軟化，所以，燒結之前要用一定的材料將電容器空腔填充，填充的材料在燒結過程中會氣化，然后由空氣通道排出。傳感器燒結好以后，選用與陶瓷材料匹配的玻璃粉將空氣通道的出口封住，使的電容器空腔與外界空氣形成氣壓差。第一層和第四層是傳感器的壓力敏感膜。在受到壓力時，電容器空腔產生形變，電容器的板間距發生變化，引起電容大小變化，進而引起頻率的變化。

圖1 傳感器模型截面圖

圖2 LTCC生瓷片表面金屬圖案

表1 電感器設計的幾何參數

2 傳感器的制備

LTCC 技術是在 800～950 ℃的溫度下，將印刷有導電金屬圖形與具有互連通孔的多層陶瓷生片，在實現精確對位后疊在一起，最后共燒結成為一塊整體多層互連結構[4,5]。傳感器的制作工藝流程如下：

表2 電容器設計的幾何參數

1)LTCC生瓷片上打孔:調用打孔文件，通過打孔機對LTCC生瓷片進行打孔,形成空腔結構。

2)用金屬漿料填充通孔:在填孔機中放置用于填孔的鋼片，加入漿料，對LTCC生瓷片進行過孔的填充。過孔填充是為了保證傳感器電路的連通。

3)金屬導電圖案的印刷:將印有金屬圖形的網版置于絲網印刷機上，加入漿料，對LTCC生瓷片進行電感器與電容器圖形的絲網印刷。

4)金屬圖案的烘干:由于剛剛印刷上金屬漿料的LTCC生瓷片由一定的粘性，不利于后續工藝的操作，所以,需要將印刷上金屬漿料的LTCC生瓷片先進行烘干。將印刷好后的LTCC生瓷片置于高低溫試驗箱中100 ℃下20 min，使漿料干結。

5)疊片:按預先設計的層數和次序依次將LTCC生瓷片疊放于疊片機，進行疊片，疊片溫度40 ℃，在疊片的過程中，需要用碳膜對電容器空腔進行填充。

本研究中所得數據采用SPSS 19.0統計學軟件進行分析，計量數據采用t檢驗，計數數據采用x2檢驗，當P＜0.05表示差異有統計學意義。

6)層壓:本次層壓采用的是溫水等靜壓。將疊片完成后的結構真空封裝于2個平整的鋼片之間，將真空封裝的疊片置于層壓機中，15 MPa壓力下等靜壓20 min。

7)切片:此工藝是將多層生瓷胚體切成更小的部件或要求形狀。

8)燒結:將切片好的傳感器放置于燒結爐中，按照提前設定好的溫度變化曲線燒結。

9)封口:第5步中由于用碳膜填充了空腔，留下了空氣通道，所以，要用玻璃漿料將其填充，填充好之后放在燒結爐中進行燒結，使玻璃漿料融化，將空氣通道的出口部分完全堵住。

圖3為基于LTCC的無線無源壓力傳感器實物照片。

圖3 基于LTCC的無線無源壓力傳感器實物照片

3 傳感器等效電路

傳感器的等效LC電路如圖4所示。其設計主要考慮平面螺旋電感器的設計和平板電容器的設計，平面螺旋電感器的設計和平行板電容器的設計[6]，可以采用以下公式得到

(1)

(2)

其中，μ=4π×10-7為真空磁導率，n為平面螺旋電感器的圈數，dn為第n圈電感器線圈的直徑，dn=(d1+d2+…+dn)/n，ρs=(dout-din)/(dout+din)，εr為LTCC生瓷片的相對介電常數，ε0為真空絕對介電常數,dout為平面螺旋電感器的外圓的直徑，din為平面螺旋電感器的內圓的直徑，ac為電容器極板的邊長，a為電容器空腔的邊長，tg為電容器空腔的高度，tm電容器空腔壓力敏感膜的厚度。基于上述原理，本文設計了諧振頻率約為18.5 MHz的基于LTCC的無線無源高溫壓力傳感器，設計平面電感Ls為7.39 μH，平面電容Cs為10.02 pF。基片材料LTCC生瓷片選用DupontTM951PT，其介電常數為7.8，印刷電感器和電容器圖案的金屬漿料選用的是與生瓷片相匹配的DupontTM6142D Ag。

圖4 傳感器等效電路

4 傳感器與天線耦合的等效電路

為了實現無線檢測LC回路的諧振頻率，通常采用電感線圈耦合的方式[7],即由天線的電感產生交變磁場，當天線靠近LC回路時，則會將交變磁場的能量通過LC回路中的電感線圈耦合到振蕩回路中，由于天線和LC回路電感線圈的耦合，使得天線上有一個明顯的電壓降，這個壓降點就是諧振頻率點。天線和LC諧振傳感器是無線接觸，能量是通過天線耦合到傳感器諧振回路，從而實現了無線無源檢測。

傳感器與天線的耦合等效電路如圖5所示。圖5中，La為天線電感，Ra為天線的等效電阻，Ls,Cs分別為傳感器的平面螺旋電感和平行板電容，Rs為傳感器電阻，Lm為天線和傳感器線圈的互感系數。

圖5 傳感器與天線耦合的等效電路

當只有天線時，其兩端的阻抗為

Z(s)=jωLa+Ra.

(3)

當LC諧振傳感器在天線檢測范圍內時，天線兩端的阻抗可以表示為

(4)

天線的電阻值Ra一般較小，從式(1)可見，其阻抗隨頻率近似線性變化。但是當天線靠近傳感器時，由于線圈之間的相互耦合，從式(2)可得到其阻抗大小在傳感器的諧振頻率附近呈先增大后減小再增大的趨勢，而阻抗相位呈現先降低再增加的趨勢，具體波形如圖6所示。因此，通過測試天線兩端的阻抗大小及其相位變化，可以獲得傳感器的諧振頻率。

圖6 天線與傳感器諧振實測波形圖

5 傳感器的測試與分析

測試時，利用一個耦合線圈讀出電路(天線)在傳感器附近進行掃頻測量，當測量信號頻率與傳感器固有頻率耦合時發生共振導致輸入阻抗發生明顯變化，從而推算其傳感器壓力相關的固有頻率。根據力敏結構的壓力—位移—電容—固有頻率傳輸函數，可以計算出壓力的大小。測試系統示意圖如圖7所示。

為了測試不同壓力下傳感器的諧振頻率變化，搭建了了如圖7所示的測試系統平臺。測試系統平臺由四部分組成：Agilent E4991A阻抗分析儀1臺，Druck Pace5000模塊化壓力控制器1臺，氮氣罐1個，壓力罐1個。

圖7 傳感器測試系統示意圖

測試流程：氮氣罐提供測試的氣流，氣壓控制設備會將氮氣罐輸送過來的氮氣進行氣壓大小的調節，然后將大小可控的氮氣輸送至裝有傳感器和測試電路的壓力罐，使氣壓罐產生一定數值的氣壓，從而進行測量。電路輸出信號通過接插件由氣壓罐引出至阻抗分析儀，阻抗分析儀可以顯示出諧振頻率f。

此次測試，通過壓力控制器往壓力罐中一共輸入2個大氣壓，共采集到35個數據點。數據線性擬合結果如圖8。

圖8 傳感器壓力—頻率關系圖形

當天線與傳感器接近發生耦合時，由圖6可以看出：在18.209 2 MHz附近，阻抗值發生了突變，阻抗相位出現下降峰，這表明LC諧振傳感器的諧振頻率為18.209 2 MHz，這與設計頻率18.5 MHz有所差距，其原因是由于制作傳感器的工藝誤差，使得壓力傳感器的輸出頻率與設計的有所不同。

6 結 論

本研究對基于LTCC的無線無源LC諧振應變傳感器的壓力傳感特性進行了理論與實驗研究，設計和制備了諧振頻率約18.209 MHz的傳感器，測試結果表明:傳感器的諧振頻率隨外加壓力的增加而減小，外界大氣壓力變化時，其諧振頻率變化靈敏度331.70 kHz/bar。本文所研究的基于LTCC的無線無源壓力傳感器由于實現了無源和無線，可望應用于非接觸壓力測試等領域。

參考文獻:

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