LC諧振式高溫壓力傳感器高溫下信號衰減的研究*

魏坦勇,沈丹丹,譚秋林,3*,羅 濤,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.清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084)

?

LC諧振式高溫壓力傳感器高溫下信號衰減的研究*

魏坦勇1,2,沈丹丹1,2,譚秋林1,2,3*,羅 濤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.清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084)

基于LC諧振式傳感器在高溫下的測試隨溫度升高會發生信號衰減,頻帶變寬等現象,為了研究影響信號衰減的主要因素,借助于MATLAB軟件,在理論上分析各個因素對信號衰減的影響,初步得出傳感器寄生電阻是信號衰減的主要原因;最后,通過分別制作電感線圈和電容陶瓷片模型,并在500 ℃范圍內進行測試,發現電感線圈寄生電阻值增加了6.7 Ω,極板電容值增加了0.55 pF,因此得出寄生電阻是信號讀取衰減的主要原因。

LC諧振式傳感器;信號衰減;MATLAB;寄生電阻

惡劣環境,如高溫、高旋、高壓、腐蝕性,特別是高溫下壓力的測量在航空、航天中有著重要的作用。傳統的傳感器因為其不耐高溫、制造工藝復雜、成本高等缺點而應用受到限制[1-4]。基于LC諧振式傳感器卻因為無需外加電源、非接觸式測量,制造工藝簡單、對環境要求低等優點,已廣泛的應用在很多參數的測量,特別是溫度、壓力的測量,但LC諧振式傳感器在高溫下卻存在讀取信號變弱、頻帶變寬等問題[5-7]。

為了研究這一現象的原因,本文在基于MATLAB軟件的理論分析上,建立了LC諧振式高溫測量系統,探討了天線和傳感器的品質因數對讀取信號強弱的影響,理論和實驗都說明,傳感器的寄生電阻是影響高溫下讀取信號衰弱的主要原因。

1 傳感器模型與測試

如圖1,LC傳感器是基于杜邦951材料,由5層陶瓷片層壓而成,第1層陶瓷片上表面絲網印刷上電容上極板與電感線圈,其中上極板與電感內徑端連接;第2層在電容正對區為電容空腔;第3層上表面正對位置為電容下極板,并將下極板與電感外徑端通過過孔連接[8-9]。

圖1 高溫壓力傳感器示意圖和實物圖

對該高溫壓力傳感器在50 ℃到500 ℃范圍內進行測試,測試示意圖如2所示,天線線圈發出包含傳感器諧振頻率f0在內的掃頻信號,當掃頻信號頻率與傳感器頻率相等時,即耦合諧振時,天線端的阻抗參數(阻抗、相位角)會發生突變。試驗中,測量天線阻抗相位角與掃頻頻率的曲線,讀取相位角最低點頻率為fmin,通常fmin和f0之間的差距很小,可以默認為二者相等[10]。

圖2 傳感器陶瓷高溫測試

對該溫度壓力傳感器的測試結果如圖3,可以發現,在50 ℃到500 ℃范圍內,隨著溫度的升高,測試到的曲線波谷從28.58 MHz向左漂移到27.45 MHz,同時相位從-47.5°向上移動到-11.8°,并且測試到的曲線頻帶越來越寬,信號越來越難以捕捉,高溫下信號的衰弱增加了讀取的難度,因此下面在理論上分析信號衰弱的原因。

圖3 讀取信號相位頻率曲線

2 MATLAB信號讀取理論分析

如圖4為天線傳感器測試示意圖,傳感器的電感為Ls,電感線圈的電阻記為Rs,因為電感線圈之間存在寄生電容,它與傳感器極板電容為并聯關系,兩者合計為Cs。天線的電感記為La,天線導線的寄生電阻記為Ra,天線線圈之間的寄生電容,記為Ca;可以推導得出天線輸入端阻抗表達式為[11]

(1)

其中zf為傳感器反射到天線的阻抗[12]

(2)

其中M為天線電感與傳感器電感之間耦合系數,k為電感之間互感系數

(3)

下面利用MATLAB軟件,通過程序繪圖,分析式(1)中各變量對讀取信號的影響,為了找出主要影響讀取信號的因素,本文采用單一變量法,即每次變化一個量,而其他量保持不變,觀察其對讀取信號的影響。各變量的初值取值如表一所示,各變量取值考慮了通常實際應用中的元器件取值。首先,研究天線的品質因子,即每次改變天線的參數,觀察它對結果的影響。

表1 天線傳感器取值初值

圖5 Ra變化對讀取信號影響

如圖5,單一改變表1中Ra,其他量保持表1不變,如表2所示。Ra從5 Ω變化到35 Ω,以步長5 Ω取值增加時,測試曲線波谷相位從-48.7°向上漂移了1.5°到-47.2°,增加的幅度很小,同時帶寬基本無變化,但對趨于穩定的相位值影響較大。

表2 Ra改變時各變量取值

同樣地,分別單一的改變表1中天線的電感和寄生電容值,分別如圖6和7所示。可以發現電感從1.5 μH到2.1 μH變化范圍內,其他量保持表1不變時,波谷相位向下發生了3°移動,同時頻率向左漂移了0.06 MHz;電容從2.5 pF變化到3.7 pF,波谷相位向下移動了3.5°,頻率向左漂移了0.08 MHz。從上面天線參數的取值變化范圍可以看出,在MATLAB仿真中,天線各參數變化范圍取值較大,通常大于實際中天線各參數變化范圍的取值。但從仿真結果可以看出,在天線較大的取值變化范圍內,信號讀取結果變化很小;這說明,天線的參數變化對波谷的移動和帶寬,即對讀取信號衰弱,和頻率漂移的影響并不明顯。

圖6 La變化對讀取信號影響

圖7 Ca變化對讀取信號影響

圖8 Rs變化對讀取信號影響

接著,本文分析傳感器各參數的變化對信號讀取的影響;類似的,分別單一改變表1中傳感器各參數取值。如圖8為傳感器寄生電阻Rs變化對讀取信號影響圖,此時各變量取值如表3所示。

表3 Rs改變時各變量取值

可以看出Rs從5 Ω以步長1 Ω增加到11 Ω過程中,波谷相位從-48.7°增加37.3°到-11.4°,同時曲線頻帶越來越寬。如圖9,Ls從1.2 μH增加到1.5 μH,波谷相位向下移動了2.6°,頻率向左漂移了3.4 MHz,但頻帶寬度變化很小;Cs從17 pF減小到20 pF,相位波谷向上移動4.2°,頻率向左移動了2.8 MHz,頻帶寬度變化也很小,如圖10所示。

圖9 Ls變化對讀取信號影響

圖10 Cs變化對讀取信號影響

最后,分析互感系數k變化對讀取信號的影響,互感K變化時各變量取值,如表4所示。

表4 互感K改變時各變量取值

如圖11所示,k從0.3增加到0.6過程中,發現信號波谷相位、特別是頻帶,增加的很明顯,k為0.6時,已經很難捕捉到最低點相位。

圖11 K變化對讀取信號影響

從傳感器參數的變化范圍可以看出,傳感器各參數的變化范圍的取值很小,這通常接近或小于實際各變量取值變化。但從仿真結果看出,寄生電阻的少量變化,波谷相位漂移和頻帶寬度變化很明顯,這說明它對寄生電阻非常敏感;同時看出電感或電容值變化對頻率漂移有影響;最后,從圖11可以看出,互感系數對信號的衰減也有明顯的影響。但在通常的測試中,傳感器與天線相對位置一般保持不變,所以在分析中可以忽略k對讀取信號變化的影響[11]。因此,在圖3的測試中,初步得出寄生電阻是影響信號衰減的主要原因。

3 電感、電容陶瓷片高溫測試

為了驗證寄生電阻是影響信號衰減的主要原因,本次實驗利用相同的工藝步驟,分別制作了基于相同材料的電感線圈和電容陶瓷片,結構示意圖如圖12所示。對電感、電容陶瓷片分別在高溫爐里面,從常溫加熱到500 ℃,電感陶瓷片測試示意圖,如圖13所示。

圖12

圖13 電感陶瓷片測試示意圖

得出電感陶瓷片的參數隨溫度變化的曲線,如圖14所示,可以發現,在50 ℃到500 ℃的范圍內,電感值基本上無變化,而寄生電容值從1.5 pF增加到1.82 pF,電阻值從20.6 Ω增加了6.7 Ω到27.3 Ω。

圖14 電感陶瓷各參數隨溫度變化曲線

同樣,對電容陶瓷片在常溫到500 ℃范圍內測試,測試結果如圖15所示,極板電容值從16.9 pF增加了0.55 pF到17.45 pF。

圖15 電容陶瓷電容值隨溫度變化曲線

對比上面MATLAB的仿真結果,即6 Ω的電阻變化引起37.3°相位的移動和頻帶寬度明顯的變化;由此可以得出,高溫壓力傳感器在高溫下的測試,電感線圈電阻的增加是信號衰減與頻帶變寬的主要原因。同時,試驗測試中總電容值增加了0.87 pF,而電感值基本保持不變,分析可知是高溫下電容值的增加導致頻率的漂移[13-14]。

4 結論

高溫壓力傳感器在高溫下測試,隨著溫度的增加,信號衰減也隨著增加,本文通過MATLAB軟件,在理論上通過單一變量法,分析影響天線傳感器測試讀取結果的各個因素,初步得出寄生電阻是信號衰減的主要原因。通過分別制作電感線圈、電容陶瓷片模型,并在500 ℃內進行測試,發現線圈電阻增加了6.7 Ω,這驗證了本文的猜想;同時得出,高溫下電容值的增加是信號漂移的主要原因。

[1] Pulliam W J,Russler P M,Mlcak R,et al.Micromachined SiC Fiber Optic Pressure Sensors for High-Temperature Aerospace Applications[C]//Environmental and Industrial Sensing.International Society for Optics and Photonics,2000:21-30.

[2]Fonseca M A,English J M,Von Arx M,et al.Wireless Micromachined Ceramic Pressure Sensor for High-Temperature Applications[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2002,11(4):337-343.

[3]Dakshinamurthy S,Quick N R,Kar A.SiC-based Optical Interferometry at High Pressures and Temperatures for Pressure and Chemical Sensing[J].Journal of Applied Physics,2006,99(9):094902.

[4]Johnson R W,Evans J L,Jacobsen P,et al.The Changing Automotive Environment:High-Temperature Electronics[J].Electronics Packaging Manufacturing,IEEE,2004,27(3):164-176.

[5]Savrun E.Packaging Considerations for Very High Temperature Microsystems[C]//Sensors,2002.Proceedings of IEEE.IEEE,2002,2:1139-1143.

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

[7]Butler J C,Vigliotti A J,Verdi F W,et al.Wireless,Passive,Resonant-Circuit,Inductively Coupled,Inductive Strain Sensor[J].Sensors and Actuators A:Physical,2002,102(1):61-66.

[8]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,2013,26(4):498-501.

[9]李瑩.LTCC高溫壓力傳感器的設計制作與測試[J].傳感器與微系統,2013,32(4):101-105.

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

[11]羅濤,譚秋林,熊繼軍,等.耦合系數對無線無源傳感器信號讀取的影響[J].傳感技術學報,2014,27(3):327-330.

[12]張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2014:68-69.

[13]羅濤,譚秋林,熊繼軍,等.LTCC高溫壓力傳感器溫漂特性研究[J].傳感技術學報,2014,27(2):190-193.

[14]任重,蔡婷,譚秋林,等.氧化鋁陶瓷基無線無源壓力傳感器的高溫性能研究[J].傳感技術學報,2014,27(9):1169-1173.

Research on the Signal Degradation of LC Resonant High Temperature Pressure Sensor Under High Temperature*

WEITanyong1,2,SHENDandan1,2,TANQiulin1,2,3*,LUOTao1,2,XIONGJijun1,2

(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(North University of China,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;3.State Key Laboratory of Transducer Technology,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

LC resonant sensor will show signal degradation and a widened frequency band,when tested on elevated temperature.In order to study the main factors influencing signal degradation,the MATLAB is used and various factors are analyzed in theoretically,and find that the parasitic resistance is the main reason to the signal degradation preliminarily.Finally,an inductor and a capacitor ceramic models are made respectively and tested in the range of 500 ℃,the results show that the value of parasitic resistance of the coil increases 6.7 Ω and the capacitance of the plate increases 0.55 pF,thus a conclusion is made that the parasitic resistance is the main reason to the signal degradation.

LC resonant sensor;signal degradation;MATLAB;parasitic resistanceEEACC:7230

魏坦勇(1989-),男,湖北武穴人,碩士,中北大學儀器與電子學院,研究方向為無線無源傳感器,2571268140@qq.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,教授,研究方向為光學氣體傳感器及檢測技術、無線無源微納傳感器及微系統集成技術、無線傳感器網絡及射頻技術、數據采集及存儲技術,tanqiulin.99@163.com。

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.003

項目來源:國家自然科學基金(61471324);高等學校優秀青年學術帶頭人支持計劃資助項目;國家杰出青年科學基金項目(51425505);博士后科學基金特別項目(2014T70074)

2014-09-25 修改日期:2014-11-25

TP212

A

1004-1699(2015)02-0165-05