任 重,蔡 婷,谭秋林,3,李 晨,郑庭丽,熊继军*

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室,重庆 400044)



氧化铝陶瓷基无线无源压力传感器的高温性能研究*

任 重1,2,蔡 婷1,2,谭秋林1,2,3,李 晨1,2,郑庭丽1,2,熊继军1,2*

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室,重庆 400044)

利用高温烧结陶瓷技术制备了一种基于氧化铝陶瓷的LC谐振式无线无源压力传感器,并通过合理地设计圆柱螺旋天线以及隔热结构,实现了该传感器在高温环境中的无线耦合测试。研究了传感器在不同温度下的阻抗频率特性,分析并探讨了传感器的高温性能。测试结果表明,在29 ℃(室温)至700 ℃的温度范围内,测试天线端的最高瞬时温度为188.4 ℃,保证了传感器高温测试的可靠性。谐振频率对温度的平均变化量为1.314 kHz/℃,两次重复性测试的相对变化量为3.81%,重复性较好。该压力传感器可应用于高温恶劣环境下的压力测试,其高温性能的研究为压力信号的准确读取奠定了良好的基础。

压力传感器;无线无源;高温;零点温漂;谐振频率

随着国民经济和微电子技术的发展,高温压力传感器作为微机电系统(MEMS)主要产品之一,在民用工业和国防军工领域有着广阔的应用前景,从石油工业所用的仪器到涡轮发动机和内燃机的监测和控制等,都要求压力传感器能够工作在200 ℃以上[1-3]。现有的传感器尽管可以在量程、频率响应和其他方面可以满足要求,但是它们只能在一些“温和”的环境中才能发挥作用。目前来说,压力传感器应用领域至少在以下2个方面还很欠缺,甚至是仅仅满足最低的要求:一个是超高温的外部环境,另一个是强电磁干扰环境[4]。高温压力传感器以其优良的高温工作能力在压力传感器中一直受到高度重视,是传感器研究的重要领域之一,它的研究与开发具有重要意义[5]。目前,高温压力传感器已展开了深入的研究,主要包括SOI高温压力传感器[6-7]、SiC高温压力传感器[8]、硅-蓝宝石压力传感器[9]、光纤高温压力传感器[10-11]、声表面波(SAW)压力传感器[12-13]以及LC谐振式压力传感器[13-16]。

本文以LC串联谐振式电路为理论基础,针对一种可应用于高温恶劣环境下的基于氧化铝陶瓷的无线无源压力传感器,在不同温度下对其进行了无线耦合测试,分析并探讨了传感器的高温性能及零点温漂对压力信号读取的影响。

1 工作原理

该电容式压力传感器模型主要是一个串联式的LC谐振电路,包括串联电感Ls、串联电容Ls和等效串联电阻Rs。传感器的谐振频率f0、品质因子Q,可由以下公式得到:

(1)

(2)

在上述模型中,当作用在传感器的外界压力发生变化时,两电容极板间距将会发生微小变化,引起传感器的电容值变化,从而改变了传感器的固有谐振频率,而该频率信号的变化可以通过外部电路,以无线耦合的方式测试得到。为了和传感器进行无线耦合,需要一个带读取天线的测试电路,其等效电路如图1所示。

图1 无线耦合测试的等效电路图

通过在测试天线端加载具有一定带宽的扫频信号,当该信号的某一特定频率与传感器的固有频率相等时,电路会发生谐振。此时,输入阻抗的相位将发生明显的变化。因此,通过拾取输入阻抗的相位随扫频信号频率变化的特殊点,就可以表征传感器工作时的谐振频率大小,从而间接测出外界压力信号值。

2 设计制备

高温环境会导致测试天线的一些特性参数(电感、电阻等)发生变化,从而影响传感器的高温性能测试。为提高测试的准确性,我们通过设计合理的隔热层结构,保证测试天线在正常温度范围内工作,以实现传感器的无线耦合测试,其示意图如图2所示。

图2 无线耦合测试示意图

2.1 压力传感器

压力传感器的剖面结构示意图如图3所示,其基底材料选用ESL 44000生瓷带,主要成分为96%Al2O3,厚度约为200 μm,X、Y方向的热收缩率为16.0%～18.0%。

图3 传感器剖面示意图

压力传感器的主要制备过程如下:①切片,切制出3片相同大小的生瓷带;②冲孔,将其中1片生瓷带冲孔出预定的形状及尺寸;③一次叠片,使用叠片机将1片冲孔生瓷带和1片相同大小的生瓷带在一定的压力及温度作用下粘接;④在叠片后形成的生坯空腔内填充碳膜,并与另一层相同大小的生瓷带进行二次叠片,形成完整生坯;⑤热压,在层压机中以21 MPa、70 ℃的热压条件将生坯压制成一体;⑥热切成设计尺寸,并进行高温烧结,其中最高烧结温度1 500 ℃、峰值时间2 h;⑦丝网印刷,通过丝网印刷机在经高温烧结的氧化铝陶瓷基板上印刷银浆料以形成压敏电容及方形平面螺旋电感的图形;⑧后烧成型,在七温区网带式烧结炉中,将印刷有电路图形的基板,进行二次烧结处理,其中网带的速率设置为100 mm/min,温区最高温度为850 ℃。最终制备出的压力传感器的实物图如图4所示。

2.2 测试天线

鉴于铜线低成本、优良的机械及电学性能等特点,我们选择线材1.3 mm直径的漆包铜线,以绕制圆柱螺旋天线,用于测试得到传感器的谐振频率。螺旋天线实物图如图5所示,它的外径46.3 mm,圈数5.5,平均螺距5.4 mm。

图4 压力传感器实物图

图5 螺旋天线实物图

2.3 隔热层结构

设计时选用WDS®纳米级微孔隔热材料-1050型隔热板,厚度规格为50 mm,隔热层厚度设计为10 mm。隔热层的热端面放置传感器,冷端面放置螺旋天线,即天线通过隔热材料对高温下的压力传感器进行无线信号读取。其中,隔热结构设计成台阶状(图2,隔热材料结构),热面端尺寸为150 mm×150 mm×35 mm,以配合高温台式炉炉门的几何尺寸;冷面端尺寸为200 mm×200 mm×15 mm,以进一步减小热面端温度对测试天线的影响;隔热层内部加工出55 mm×55 mm×40 mm的凹槽(图6,隔热材料实物),这样既可以合理放置螺旋天线,又可以保证天线与传感器之间的耦合距离(10 mm)。

图6 传感器隔热测试装置

3 测试及讨论

传感器的隔热测试装置如图6所示,通过Nabertherm LHT 02/16高温台式炉为传感器提供热源(常压环境),利用Agilent E4991A阻抗分析仪测试天线端输入阻抗的相频及幅频特性,并使用Infrared Thermometer TM750红外测温仪测量隔热层凹槽内壁的温度。

高温测试前,测得螺旋天线(带引线)的电感(1MHz)为0.352 μH,直流电阻为0.25 Ω,自谐振频率为34.2 MHz;当测试天线与该传感器的耦合距离为10 mm(最大耦合距离约为40 mm)时,测得传感器的谐振频率为21.73 MHz,小于天线的自谐振频率。

当温度均匀升高时,隔热层外部温度近似呈“线性”趋势而缓慢升高,如图7所示。当加热至最高温度700 ℃时,测得隔热层冷面瞬时温度为188.4 ℃。因此,隔热层外部并不太高的温度,保证了测试天线机械性能及电学性能的稳定性,从而确保了传感器高温性能测试的可靠性。

图7 隔热层内、外部温度曲线图

图9 不同温度下输入阻抗的相位频率曲线

当温度从室温均匀加热至700 ℃的过程中,输入阻抗的幅值及相位也发生相应改变,分别如图8、图9所示。

图8 不同温度下输入阻抗的幅值频率曲线

从中可以看出,随着温度的升高,传感器的谐振频率逐渐减小,耦合强度减弱;当温度最高升至700 ℃时,此时天线-传感器的耦合效果仍然相对明显,且谐振频率对温度的平均变化量为1.314 kHz/℃,即零点温漂为1.314 kHz/℃。

当温度随炉冷却后,其他条件保持不变,再次从室温均匀加热至700 ℃,进行重复性测试。如图10所示,表示先后两次测量过程中传感器谐振频率随温度的变化曲线。从第2次测试结果可知,随着温度的升高,传感器的谐振频率也逐渐减小;当温度最高升至700 ℃时,天线-传感器的耦合效果仍然相对明显,零点温漂为1.364 kHz/℃,对第1次温漂的相对变化量为3.81%。

图10 传感器的谐振频率随温度的变化

对两次测量得到的谐振频率f(MHz)-温度T(℃)数据进行二次函数拟合,即:

f=-1.292e-006·T2-0.0004279·T+21.81

(3)

从测试结果可知,随着温度的升高,传感器的谐振频率以近似呈现二次曲线的趋势逐渐减小,耦合强度减弱。这是由于氧化铝陶瓷的介电常数随温度的升高而增大[17],则谐振电路中的电容Cs增大,而氧化铝的热膨胀系数很低,使得高温下片上电感Ls的变化量很小。因此,传感器的谐振频率随温度的升高而减小。此外,谐振电路由银浆料通过丝网印刷而成,当温度升高时,银的电阻率变大,电路的等效串联电阻增大,则Q值减小,耦合强度逐渐减弱。

该压力传感器存在较大的零点温漂,温度对压力测试的影响不可小觑。因此,在测量精度要求不高的场合,可尽量提高传感器对压力的灵敏度,从而忽略温漂带来的影响;而在测量精度要求较高的场合,可通过补偿算法的方式,以减小温漂对压力信号测试的影响。

4 结论

本文制备了一种可应用于高温恶劣环境下的基于氧化铝陶瓷的无线无源压力传感器,并对其进行了无线耦合测试,分析并探讨了零点温漂的影响及其高温性能。通过设计合理的隔热层结构,保证了测试端天线性能的稳定性,从而提高了传感器高温性能测试的可靠性。随着温度的升高,传感器的静态谐振频率以近似呈现二次曲线的趋势逐渐减小,耦合强度减弱;当温度最高升至700 ℃时,天线与传感器的耦合效果仍然相对明显;传感器的谐振频率对温度的平均变化量为1.314 kHz/℃,零点温漂较大;第2次零点温漂对第1次的相对变化量为3.81%,高温重复性好。

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任重(1987-),男,湖北石首人,硕士,中北大学仪器与电子学院,主要从事高温压力传感器方面的研究,rz381567720@sina.cn;

熊继军(1971-),男,湖北浠水人,博士,教授,主要从事纳机电器件基础研究、微系统集成和动态测试技术等方面的研究,xiongjijun@nuc.edu.cn。

High-TemperaturePerformanceofWirelessPassivePressureSensorBasedonAluminaCeramic*

RENZhong1,2,CAITing1,2,TANQiulin1,2,3,LIChen1,2,ZhengTingli1,2,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,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China3.National Key Laboratory Fundamental Science of Mico/Nano-Device and System Technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

A wireless passive LC resonant pressure sensor based on alumina ceramic is fabricated by the high temperature sintering ceramic process,and cylindrical helical antenna and a structure of insulation material are designed to realize the wireless coupling test for the sensor in high temperature environment. The high temperature performance of the sensor is analyzed and discussed by studying the impedance-frequency characteristics under different temperatures. The results show that the highest instantaneous temperature of the terminal of the test antenna is 188.4 ℃ when the temperature is ranged from 29 ℃(room temperature)to 700 ℃,which ensures the reliability of the test on the sensor under high temperature. The average change of resonant frequency to temperature is 1.314 kHz/℃,and the relative change of the twice tests is 3.81%,with good reproducibility. The pressure sensor can be used to measure the pressure under high temperature and harsh environment,and the study of the high temperature performance of the sensor laid a good basis for accurately reading the pressure signal.

pressure sensor;wireless passive;high temperature;zero drift;resonant frequency

项目来源:国家自然科学基金重点项目(61471324);访问学者基金项目(2013MS03);优秀青年学术带头人支持计划项目

2014-05-30修改日期:2014-07-11

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.003

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)09-1169-05