基于微波后向散射原理的介質調諧型薄膜溫度傳感器*

逯 斐,譚秋林

(中北大學儀器與電子學院,電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 030051)

國內外諸多研究機構都致力于惡劣環(huán)境下的表面溫度等參數傳感及測試系統研究[1-3]。在直升機旋轉部件溫度測試方面需要解決的難點在于發(fā)動機內超高溫、高旋惡劣環(huán)境下復雜結構部件表面溫度原位精確測量[4-5],目前,針對該瓶頸問題比較有效的方法是采用薄膜型熱電偶測溫[6],可實現1000 ℃以上發(fā)動機葉片表面溫度測試。但是具有一定的局限性,例如需要引線連接,不便于長時間工作,同時由于引線和所用絕緣陶瓷的熱質量太大,使得測溫誤差較大。而微波散射原理的無線無源溫度傳感器具有傳輸距離遠、高Q值的優(yōu)點[7-8],但是因為工作頻段以及激勵機制的限制,傳感器普遍體積較大。

本文針對微波散射式無線傳感器體積大的問題,設計了一種高Q值、高靈敏度的無線無源薄膜溫度傳感器,以期解決直升機渦輪發(fā)動機葉片等部件(包括平面及復雜的曲面部件)表面溫度測試的原位測試難題,與現在炙手可熱的3D打印[9-10]及激光直寫技術[11]相結合,具有良好的發(fā)展前景。

1 微波后向散射貼片結構模型

1.1 微波后向散射原理的無線耦合模型理論分析

該傳感器無線耦合模型是由平面諧振器的原理衍生而來的,結構如圖1所示,傳感器最上層是一層矩形金屬層,稱為矩形貼片諧振器,通過外部詢問天線近場耦合,可用來接收無線電磁波信號,在貼片和底部接地金屬(具有反射電磁波的作用)之間形成諧振,根據不同的尺寸設計,諧振頻率會不同。這樣,符合貼片尺寸的一定頻率的電磁波諧振形成駐波會逐漸振蕩消失,而其他頻率成分的電磁波則會被接地板反射,通過貼片和接地板之間的縫隙發(fā)出,被應答天線接收,這就是微波后向散射原理。

圖1 微波后向散射原理的“三明治”結構模型

對于TM01的貼片諧振器,其諧振頻率計算公式為[12]:

(1)

式中,c是光速,Leff是金屬貼片在邊緣效應影響下的等效長度,εe是基底材料的有效介電常數,可表示為

(2)

進行傳感器的設計時,金屬貼片的長度可以表示為

(3)

式中:ΔL是基底高度h的函數,fr為傳感器常溫工作中心頻率,定義如下:

(4)

金屬貼片的寬度W為

(5)

1.2 傳感器尺寸設計

傳感器矩形貼片的寬度W設為8 mm,其長度L通過HFSS(High Frequency Structure Simulator高頻結構仿真)軟件模型仿真確定,以2 mm為步長在8 mm～26 mm 范圍內進行頻率掃描,仿真結果如圖2(a)所示,可看出當L為24 mm時,回波損耗S(1,1)的幅值最大,證明此時阻抗匹配程度最高,因此貼片長度定為 24 mm,沿兩條輻射邊的電場線分布如圖2(b)所示。

圖2 HFSS軟件仿真確定傳感器尺寸

2 傳感器制備

傳感器的制備采用了HTCC陶瓷組裝技術和厚膜絲網印刷技術。其中絲網印刷所用網版為325目,25 μm,制備主要分為兩步,即HTCC基底成型和Ag金屬貼片及接地板的絲網印刷,所用HTCC材料為ESL氧化鋯耐高溫生瓷帶,Ag漿料為Dupont 6142D銀漿料。

圖3 傳感器制備過程

制備過程如圖3所示。首先用裁片刀將卷軸生瓷帶切割成203.2 mm×203.2 mm的方形,用撕膜機揭去生瓷帶表面的聚合物薄膜;通過在4個角激光打定位孔,將三層HTCC(每層125 μm厚)生瓷片對準疊片;其次是壓層,將疊片后的陶瓷基片用硅膠膜包覆,并抽真空密封,放入壓片機內,設置壓層機為21 MPa的壓力環(huán)境,溫度為70 ℃,保持20 min,壓力過小或者溫度過低都會使壓好的基片在燒結過程中分層失效。

其次把經過壓層的陶瓷基片用激光切割機進行切割,將切割好的傳感器基底按照圖4燒結曲線進行高溫燒結。最后是絲網印刷,將燒結好的基底和網版緊密貼合,以保證貼片和接地面的均勻印刷。印刷完成后,將傳感器樣品放在高溫爐中對銀漿進行燒結,燒結曲線如圖4所示。

圖4 HTCC ESL氧化鋯和Dupont6142D銀漿燒結曲線

制備好的傳感器如圖5所示,總體厚度為300 μm。

圖5 制備好的傳感器(mm)

3 傳感器高溫測試結果及分析

對制備的溫度傳感器進行高溫下的無線測試,使用的耐高溫天線為以96%氧化鋁熟瓷為基底、用銀漿印刷的矩形微帶天線,采用馬弗爐和矢量網絡分析儀(Agilent E5061B)對搭建高溫測試平臺,測試實物圖如圖6。對馬弗爐的參數進行設置。

圖6 溫度測試系統

測得傳感器在50 ℃下的初始頻率為2.53 GHz,在升溫過程中記錄不同溫度下微帶天線S(1,1)參數隨輸入掃頻信號的變化如圖7(a)所示。

圖7 50 ℃～700 ℃范圍內傳感器測試結果

由圖7(a)可看出在50 ℃～700 ℃范圍內,傳感器的諧振頻率隨溫度的升高而減小。提取不同溫度下傳感器的諧振頻率得到圖7(b)的曲線,可看出傳感器的諧振頻率隨溫度的升高呈現兩段近似線性的關系,以500 ℃為分界點,分別對兩段曲線進行線性擬合,可計算出該制備的溫度傳感器在50 ℃～500 ℃的溫度范圍內平均靈敏度為77.78 kHz/℃,在500 ℃～700 ℃的平均靈敏度為139.05 kHz/℃,在50 ℃～700 ℃范圍內平均靈敏度為96.63 kHz/℃,造成靈敏度前后不同的原因是傳感器的基底材料在500 ℃以上介電常數變化速率加快,致使諧振頻率在高溫下更易變化。

計算不同溫度下傳感器的Q值如表1所示,遠遠高于LC無源傳感器[13]的Q值,這說明其有很大潛力工作于遠距離無線測試。還可以看出傳感器的Q值隨溫度的升高大致呈現先增大后減小的趨勢,推測是因為基底氧化鋯材料的損耗角正切tanδ隨溫度升高先增大后減小,導致材料對微波能量的消耗先增大后減小所致。

表1 傳感器不同溫度下的Q值

4 結論

提出了一種基于微波后向散射原理的介質調諧型薄膜溫度傳感器,完成了50 ℃～700 ℃的高溫測試,得到傳感器平均靈敏度為96.63 kHz/℃,相比LC諧振式和聲表面波原理的無線無源傳感器,靈敏度為遠遠高于數倍;相比同尺寸的前述兩種傳感器,提出可微波后向散射原理的無源傳感器工作頻段更高,使得高頻段的無線無源測試變?yōu)榭赡?這也意味著如果是同一頻段,微波式傳感器具有更小的尺寸,更有利于被測器件與傳感器的集成;并對測試所得的Q值進行了分析,Q值遠遠高于前述兩種傳感器,這意味著設計的微波后向散射原理的溫度傳感器具有更遠的無線測試距離;這種薄膜型的“三明治”結構使得傳感器的放置對運動的被測復雜部件幾乎不產生空氣動力學影響,并且氧化鋯具有低的熱質量,散熱快,對溫度的響應速度快,如果利用3D打印激光熔覆技術和微等離子噴涂以及磁控濺射等工藝進行改進,可將傳感器尺寸大大縮小,外形上更為微小,此外,對無線測試距離的改進也是將要研究的重點。

參考文獻:

[1] 熊慶榮,石小江,徐芳,等. 基于示溫漆的高壓渦輪導向器表面溫度測試[J]. 燃氣渦輪試驗與研究,2014(3):44-48.

[2] 郭珂君. 聲表面波無線溫度傳感器測試的研究[D]. 電子科技大學,2014.

[3] Ximing Chen,Otto J Gregory,Matin Amani. Thin-Film Thermocouples Based on the System In2O3-SnO2[J]. Journal of the American Ceramic Society,2011,94(3):854-860.

[4] Su S,Lu F,Wu G,et al. Slot Antenna Integrated Re-Entrant Resonator Based Wireless Pressure Sensor for High-Temperature Applications[J]. Sensors,2017,17(9):1963.

[5] Tan Q,Luo T,Wei T,et al. A Wireless Passive Pressure and Temperature Sensor via a Dual LC Resonant Circuit in Harsh Environments[J]. Journal of Microelectromechanical Systems,2017(99):1-6.

[6] Gregory O J,Busch E,Fralick G C,et al. Preparation and Characterization of Ceramic Thin Film Thermocouples[J]. Thin Solid Films,2010,518(21):6093-6098.

[7] Xiong J,Wu G,Tan Q,et al. Dielectrically-Loaded Cylindrical Resonator-Based Wireless Passive High-Temperature Sensor[J]. Sensors,2016,16(12):2037.

[8] Tan Q,Wei T,Chen X,et al. Antenna-Resonator Integrated Wireless Passive Temperature Sensor Based on Low-Temperature Co-Fired Ceramic for Harsh Environment[J]. Sensors and Actuators A Physical,2015,236:299-308.

[9] Wu S Y,Yang C,Hsu W,et al. 3D-Printed Microelectronics for Integrated Circuitry and Passive Wireless Sensors[J]. Microsystems and Nanoengineering,2015,1:15013.

[10] 王延慶,沈競興,吳海全. 3D打印材料應用和研究現狀[J]. 航空材料學報,2016,36(4):89-98.

[11] 吳波,吳云峰,匡艷. 激光直寫制備薄膜鉑電阻技術研究[J]. 激光技術,2012,36(3):379-381.

[12] Lee K F,Luk K M. Microstrip Patch Antennas,Imperial College Press,London,2011.

[13] 唐順,王海星,譚秋林,等. 基于LTCC的無線無源雙參數傳感器[J]. 傳感技術學報,2017,30(4):592-595.