一種新型無源電容式溫度傳感器的制備與測試

武晉波, 楊 衛, 張雪蓮

(1.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；2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

在高溫、機械旋轉和密閉空間等惡劣環境中，無源傳感器在長期穩定的環境參數監測方面發揮著十分關鍵的作用[1]。在眾多物理參數中，溫度的測量最為普遍，其應用涉及工業自動化、航空航天和公路橋梁結構健康監測等領域[2～4]。面向高溫環境下的溫度測量，現有的溫度傳感器大體上可分為熱電偶、光纖溫度傳感器、聲表面波溫度傳感器以及無源LC溫度傳感器這四大類。無源LC溫度傳感器由于其無需電池供電和引線連接讀取信號，因而可以大大拓展了其應用溫度范圍和使用壽命。近些年，國內外已有相關科研院所在進行無源LC溫度傳感器的研究工作。University of Puerto Rico的Wang Y教授的研究小組已在面向滾動軸承關鍵部位溫度監測的無源LC溫度傳感器上做了大量研究工作[5]，通過采用高介電常數的鐵電陶瓷作為敏感電容介質，傳感器在235 ℃內具有較好線性度和客觀的靈敏度。Andò B等人提出了一種基于MEMS溫度敏感電容的無源LC傳感器，其能實現500 ℃內的溫度測量[6]。國內，電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室彭斌老師的研究小組于2013年提出了一種基于高介電常數陶瓷基板的無源 LC溫度傳感器[7]，其在140 ℃內獲得了-2.3 kHz/℃的靈敏度。目前，越來越多的測試環境要求能實現500 ℃以上溫度的非接觸無源測量，因此,亟需研究適于更高溫度測量用的無源溫度傳感器。

本文基于低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝，采用犧牲層填充技術，將高居里點鐵電介質陶瓷材料嵌入LTCC內置空腔作為溫度敏感介質材料，成功制備出了一種LTCC無源電容式溫度傳感器，并對其進行了從常溫到700 ℃的溫度特性測試，測試表明：該結構傳感器具有良好的溫度敏感特性。

1 傳感器原理與結構

1.1 傳感器原理

本文涉及的無源電容式溫度傳感器基于LC諧振原理，由電感線圈和可變電容器串聯組成，其中可變電容器的容值隨環境溫度的變化而變化。傳感器可以簡化為一個LC環路[8,9]，其諧振頻率為

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其中,Ls為傳感器的等效電感，Cs為傳感器的等效電容。傳感器諧振頻率的變化可以用一個線圈天線在一定距離內無線讀取獲得，通過在天線端輸入覆蓋傳感器諧振頻率的掃頻信號，當天線與傳感器靠近時，天線產生的交變磁場通過傳感器上的線圈，在傳感器上產生感應電動勢，一部分能量通過互感耦合到傳感器端，當天線端的掃頻信號頻率與傳感器的諧振頻率相同時，傳感器諧振，同時，傳感器諧振會引起天線端阻抗參數的變化，如阻抗實部、虛部、相位和幅值[10]。因此，通過檢測天線端阻抗參數的變化，就能實現對被測參數的無線讀取。讀取系統電路模型如圖1所示，其中La為讀取線圈電感，Rs為傳感器的等效電阻，M為讀取線圈與傳感器線圈的互感。

圖1 耦合系統電路模型

1.2 傳感器結構

圖2所示該傳感器的網版圖和結構截面圖，傳感器采用雙層平面螺旋電感串聯平行板電容器的結構，通過過孔實現上下層電感線圈的連接，采用雙層平面螺旋電感的結構是為了盡可能增強傳感器線圈與讀取天線之間的耦合強度，有利于高溫環境下信號的讀取。上下層電感線圈尺寸參數完全相同，但其線圈繞向相反，這是因為上下層線圈繞向相同會導致感應磁場方向相反產生抵消，不利于傳感器耦合效果的增強。上下電容極板中間介質為LTCC和鐵電陶瓷，隨著外界環境溫度的升高，LTCC材料和鐵電陶瓷的相對介電常數增大，導致平行板電容器的電容值發生增大，最終反映為傳感器諧振頻率的減小，傳感器諧振頻率的變化則可通過外部讀取天線無線讀取。考慮到制備過程中填充了犧牲層，因此，傳感器還具有排氣通道和排氣孔，其作用是保證犧牲層在燒結過程中揮發排氣順暢，可以避免氣體膨脹導致傳感器結構的破壞。

圖2 傳感器網版和結構截面圖

2 傳感器制備

傳感器結構由7層DuPont 951 AT LTCC瓷片構成，通過對傳統LTCC工藝做了改進，采用犧牲層填充技術，將鐵電陶瓷嵌入到LTCC襯底中。如圖3中所示，傳感器的制備過程大體上可以分為以下6個步驟：

圖3 傳感器制備的工藝流程

1)打孔:通過將圖2中所示的CAD網版圖轉化為打孔文件導入打孔機，打孔機根據打孔文件自動執行打孔動作，這個過程將在相應生瓷片上打好定位孔、過孔、空腔、排氣通道以及排氣孔，如圖3(a)所示。定位孔的作用是為絲網印刷和疊層過程中提供對準參考標準。

2)微孔填充:在打孔完畢后，采用Dupont 6146D Ag漿料進行微孔填充，微孔填充是為了實現上下層電感的互連。首先將漿料均勻涂抹在微孔填充機載物板上，后將過孔網版置于漿料層之上，之后將生瓷片與網版對準后置于網版上，最后將載物板送入填充機，利用填充劑頂層抽吸的方法來實現過孔的填充，如圖3(b)所示。

3)絲網印刷:如圖3(c)所示，在微孔填充完成后，進行電感和電容極板圖形的印刷，將網版置于絲網印刷機上，待生瓷片與印刷網版對準后在網版上涂抹Dupont 6142D Ag漿料，通過精密絲網印刷使各層生瓷片形成所需要的電路圖形。印刷過程中要嚴格控制刮刀速度和刮刀角度，因為這些因素直接影響到印刷圖形的質量，比如:刮刀速度過快，會出現漏印，圖像不清晰等情況。

4)疊片:如圖3(d)中所示，依據結構設計中各生瓷片的位置關系，將烘干的生瓷片在疊片機中進行對準疊片，在這一步驟中，先進行下面6層生瓷片的疊片，再將鐵電陶瓷和犧牲層材料依次填入下面6層生瓷片所形成的空腔中，最后再將最表面一層生瓷片對準疊片。ESL49000碳膜被用來作為犧牲層材料，其具有與LTCC生瓷片十分相近的厚度值，填入犧牲層的作用是保證電容極板在層壓過程中坍塌破裂。

5)層壓:首先對疊片好的多層基板胚體進行真空包裝，這是避免層壓過程中基板浸水，然后將包裝好的基板胚體置入層壓機中，在15 MPa和70 ℃的環境下等靜壓20 min，等靜壓提供了均勻的壓力載荷，保證了結構在層壓后的完整性，層壓后的傳感器胚體截面如圖3(e)所示。

6)燒結:將層壓過后的胚體置于烘干爐中，在70 ℃下進行烘干，然后將其置入燒結爐中按圖4所示溫度曲線進行燒結，燒結過后，多層LTCC胚體成為一個整體。前期結構設計中考慮到了LTCC材料在燒結后會產生尺寸上的收縮，嵌入式空腔尺寸在燒結前略大于鐵電陶瓷的尺寸，這樣就能保證在燒結收縮后，鐵電陶充滿空腔，燒結制備出的傳感器實物和截面顯微照如圖5所示。

圖4 傳感器燒結溫度曲線

圖5 傳感器實物和截面顯微照

3 實驗測試

圖6所示為傳感器的高溫測試系統示意圖，由于鎢具有良好的高溫穩定性，故選用鎢線圈來無線讀取傳感器信號，將鎢線圈和傳感器置入馬弗爐中，使其保持一定的耦合距離，將鎢線圈兩端引出接在安捷倫E5061B網絡分析儀上，通過提取天線端阻抗相位最小值所對應的頻率來進行傳感器溫度特性的標定。圖7所示為傳感器在700 ℃內的頻率溫度敏感特性曲線，從室溫到700 ℃的過程中，傳感器的諧振頻率由18.35 MHz減小到了13.58 MHz，其平均靈敏度為-7.33 kHz/℃。

圖6 高溫測試系統

圖7 傳感器的溫度特性曲線

4 結 論

面向高溫、機械旋轉和密閉空間等惡劣環境中的原位溫度測量難題，本文研究了一種新型無源電容式溫度傳感器的制備方法并對制備的傳感器進行了實驗測試。基于LTCC工藝，結合犧牲層填充技術，以高居里點的鐵電陶瓷為溫度敏感介質材料，成功制備出了一種基于Dupont 951AT LTCC襯底的新型無源電容式溫度傳感器。該傳感器利用鐵電陶瓷在居里溫度內具有單調遞增的介溫特性，將其填充作為電容介質，最終實現了能穩定工作到700 ℃的新型無源溫度傳感器，其具有-7.33 kHz/℃的平均靈敏度。

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