基于LTCC的無線無源雙參數傳感器*

唐 順,王海星,譚秋林*,宋瑞佳,伍國柱,熊繼軍(1.電子測試技術國防科技重點實驗室,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)

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基于LTCC的無線無源雙參數傳感器*

唐 順1,2,王海星1,2,譚秋林1,2*,宋瑞佳1,2,伍國柱1,2,熊繼軍1,2
(1.電子測試技術國防科技重點實驗室,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)

設計了一個基于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術的無線無源雙參數傳感器,傳感器基于LC(inductor-Capacitor)諧振原理,詢問天線通過無線遙測的方式獲取傳感器的壓力和溫度信號。在傳感器基板上集成了兩個LC諧振回路,諧振回路中兩個電容分別對壓力和溫度參數敏感,同時兩電感采用特殊結構來減少雙參數在測試時的互感串擾。搭建了溫度-壓力復合測試平臺,對傳感器進行了相關測試。傳感器最高測試溫度為300 ℃,溫度靈敏度為-14.27 kHz/℃,壓力靈敏-13.75 kHz/kPa,實驗結果表明,這種設計能明顯減少兩參數之間的互感影響。

無線無源;雙參數;LC傳感器;LTCC;互感串擾

在許多特殊環境中傳統有線測量方式無法滿足測試要求,如高溫惡劣環境、輪胎和密封包裝等密閉環境。而很多情況下需要獲得這些環境下的溫度、壓力、加速度等參數來確保系統的正常運行[1-2]。無線無源LC傳感器能通過無線耦合的方式獲得傳感器信息,減少了高溫部分傳感器與電路之間的連接,增加了傳感器的穩定性,使得惡劣環境下的壓力、溫度等參數的測量成為可能[3-4]。同時,LC以無線的方式進行測量,避免了破壞產品的密閉性[5]。國內外針對無線無源LC傳感器已經做了大量研究。Georgia Tech 的 Allen MG團隊最早提出基于LTCC“三明治”結構的無線無源傳感器[6],傳感器最高工作溫度為450 ℃。Uppsala大學的Sturesson P等人利用HTCC技術制作的LC壓力傳感器實現了1 000 ℃下的壓力測試[7]。國內的中北大學在高溫壓力傳感器方面做了大量研究工作,已經完成850 ℃高溫下的壓力測試[8]。但是無線無源LC傳感器信號受溫度影響,在測試中需要額外的溫度測量設備進行溫度補償。

由于電磁場固有的特點,LC多參數傳感器在測量時存在互感影響,影響測試結果的準確性。本文設計了一個基于LTCC的雙參數無線無源傳感器,傳感器上兩電感采用特殊結構,有效減小兩電感之間的互感,從而使溫度和壓力參數獨立測量。

1 傳感器原理

本文設計的傳感器基于LC諧振原理,其結構可簡化成兩個LC環路,每個諧振回路的諧振頻率可以用公式[9-10]計算:

(1)

式中:L和C分別是諧振電路的電感和電容。本文設計的傳感器信號讀取集總電路模型如圖1所示。

圖1 傳感器信號讀取的集總電路模型

圖1中,Ra和La為讀取天線的寄生電阻和電感。R1、L1、C1分別為溫度諧振回路的寄生電阻、電感和敏感電容;R2、L2、C2分別為壓力諧振回路的寄生電阻、電感和敏感電容。M1和M2為天線和兩個電感之間的互感;M12為溫度和壓力諧振回路之間的互感。因為基底材料的介電常數對溫度敏感,兩個電容都會隨溫度變化而改變,所以壓力參數測量時需要對溫度進行補償。電容C2的兩極板之間集成了一個密閉的空腔,當外界壓力條件變化時會發生形變,最終表現為傳感器壓力敏感諧振頻率隨著外界氣壓變化而變化。網絡分析儀向天線發送一定頻率范圍的掃頻信號,天線周圍產生一個交變磁場,天線與傳感器內兩個諧振回路產生互感,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[11-12]。天線端阻抗表達式可以表示成:

(2)

2 電感設計

多參數LC傳感器測量時存在串擾現象,一個參數的諧振頻率會隨其他參數諧振頻率變化而改變。減小電感的大小或者減少電感之間的正對面積就能有效減小因互感串擾帶來的測量誤差。為了減小兩個電感之間的互感,傳感器電感采用了如圖2的結構設計,同時為了減小傳感器尺寸,兩個電感同軸正對放置[13]。

圖2 電感結構

如圖2所示,電感相鄰兩根導線反向纏繞,外圈電感大部分被內圈抵消,最終電感會變得很小,使得兩電感之間的互感變得十分微弱。兩電感之間的互感M為[13]:

(3)

式中:u0為真空磁導率,N是電感圈數,L為電感值,k為兩個電感的距離與線距之比,當k非常大時M的值接近零。傳感器電感具體參數如表1所示。

表1 傳感器電感

3 傳感器制作

傳感器由傳統的LTCC工藝制作而成,基底材料選用的是杜邦951低溫共燒陶瓷,制作電路的材料為銀漿料。先將LTCC生瓷帶切片及打孔,并在空腔位置放置與空腔同等大小的碳膜,防止層壓時空腔塌陷。利用絲網印刷技術在生瓷帶的相應位置印制電路形狀。將帶有電路形狀的生瓷帶進行疊片層壓,然后按照一定的升溫曲線進行燒結,峰值溫度為850 ℃。在燒結過程中,碳膜被氧化成CO2并且通過排氣孔排出。燒結結束后,用直徑約0.5 mm玻璃微珠對傳感器空腔進行密封。LTCC生瓷片燒結時在X-Y方向有大約87%收縮率,最終的傳感器尺寸約為29.2 mm×29.2 mm。傳感器截面圖如圖3所示。

圖3 傳感器的橫截面示意圖

圖4 傳感器實物圖

4 實驗測試

傳感器信號用安捷倫E5061B網絡分析儀測量通過讀取天線的阻抗信息獲得,測試系統如圖5所示。

圖5 測試系統示意圖

圖6 室溫下傳感器信號隨壓力變化曲線

傳感器與天線同時放置在壓力可控的加熱爐內,天線與傳感器的距離為10 mm,中間由隔熱材料隔開。傳感器周圍溫度由MCU精確控制,在進行壓力測試時傳感器溫度保持恒定。室溫下測得傳感器信號如圖6所示。

為了防止儀器設備在高溫下氧化,實驗前對其進行了抽真空工作。實驗過程中對傳感器施加70 kPa到220 kPa的氣壓,外界壓力使空腔變形,導致電容極板間距減小,電容值增大,傳感器壓力敏感諧振頻率減小。同時電容增加使傳感器品質因數降低,信號強度會隨著壓力增加略有減小。

傳感器的最高測試溫度為300 ℃,提取不同溫度下壓力敏感諧振頻率變化曲線如圖7所示,不同壓力下溫度敏感諧振頻率變化曲線如圖8所示。

圖7 傳感器壓力測試曲線

圖8 溫度敏感諧振頻率隨壓力變化曲線

壓力和溫度敏感電容都會隨溫度升高而增大,所以傳感器的兩個諧振頻率會隨溫度的升高而變小。從測試結果可以得出,傳感器壓力敏感諧振頻率隨外界壓力近似線性變化,壓力靈敏度為-13.75 kHz/kPa。傳感器溫度靈敏度為-14.27 kHz/℃,靈敏度隨溫度升高而略有增加。傳感器壓力信號近似擬合公式為:

f=a+bT+cP

(4)

式中:T為溫度,單位攝氏度。P為壓力,單位kPa。a、b、c為曲線擬合系數,其值分別為85 361.97、-8.86、-14.27。在溫度保持不變,只有壓力變化的情況下,溫度敏感諧振頻率基本保持恒定。測試過程中溫度敏感諧振頻率最大的漂移為31.25 kHz,相當于引起2.2 ℃的溫度誤差,這說明溫度敏感諧振頻率受壓力變化影響非常小。

5 結論

本文設計了一種基于LTCC的無線無源雙參數傳感器,能同時測試環境的壓力和溫度參數。溫度參數對壓力參數提供補償,無需額外溫度測試設備。傳感器溫度工作為室溫到300 ℃,壓力工作范圍為0到220 kPa。傳感器壓力和溫度的敏感諧振頻率隨各自的敏感參數近似線性變化。特殊的電感結構有效減小兩個電感之間的互感,使得溫度和壓力參數之間幾乎沒有串擾影響。

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唐 順(1990-),男,山東人,中北大學儀器與電子學院,研究方向為無線無源傳感器,swayts@163.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,教授,博士研究生導師,中國微米納米技術學會高級會員,國際重要學術期刊Sensors and Actuators B,Optics Communications,Sensors 的通訊審稿人。主要研究方向為微納氣體傳感器及系統、無源高溫傳感器及系統、柔性生物MEMS傳感器及系統,tanqiulin@nuc.edu.cn。

A Wireless Passive Bi-Parameters Sensor Based on LTCC Technology*

TANG Shun1,2,WANG Haixing1,2,TAN Qiulin1,2*,SONG Ruijia1,2,WU Guozhu1,2,XIONG Jijun1,2
(1.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A wireless passive bi-parameter sensor based on low temperature co-fired ceramic(LTCC)technology is designed. Two LC(inductor-capacitor)resonant circuits are integrated on the sensor substrate,which are based on the LC resonant theory. The two capacitances are sensitive to the pressure and temperature parameters respectively. The two inductors are arranged in a coaxial arrangement with a special winding method to reduce the mutual inductance between them. A compound test platform of temperature and pressure is set up to do the related tests of the sensor. The maximum test temperature is 300 ℃. The temperature sensitivity of the sensor is -14.27 kHz/℃,and the pressure sensitivity is -13.75 kHz/kPa. The results show that this design can significantly reduce the mutual interference between the two parameters.

wireless passive;bi-parameter;LC sensor;LTCC;lumped circuit;mutual interference

項目來源:國家自然科學基金項目(61471324,51425505);山西省青年拔尖人才支持計劃項目

2016-10-10 修改日期:2016-12-12

TP212

A

1004-1699(2017)04-0592-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.019