基于高温烧结氧化铝陶瓷的无线无源温度传感器*

任重，谭秋林，3，李晨，郑庭丽，蔡婷，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)

基于高温烧结氧化铝陶瓷的无线无源温度传感器*

任重1，2，谭秋林1，2，3，李晨1，2，郑庭丽1，2，蔡婷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)

通过高温烧结技术获得了总体尺寸为28 mm×28 mm×0.47 mm的氧化铝陶瓷基板，结合厚膜技术在该基板上印刷无源LC串联谐振电路，设计并制备了一种基于氧化铝陶瓷的无线无源温度传感器。在18℃～300℃的温度范围内实现了传感器的无线测试，测试结果表明该温度传感器呈现出了良好的线性特征，线性范围大且非线性误差小，其谐振频率对温度的灵敏度约为2.75 kHz/℃，可应用于高温恶劣环境下的温度检测。

无线无源传感器;温度;高温烧结;氧化铝陶瓷;谐振频率

尽管目前有多种不同类型的传感器，但大多数都属于有线有源传感器，例如电容式传感器［1-2］、基于阻抗谱测试的传感器［3-4］等，但是它们需要传感器与信号传输系统之间具有物理连接，又需要电源供应，使得其在如旋转部件、无损监测、化学腐蚀、密封环境等特殊高温场合中难以满足要求［5-7］，而无线无源传感器具有其独特的优势，可以合理避开且能很好地解决这些问题。近年来，无线无源传感器得到了广泛的研究和应用，包括声表面波传感器［8-9］、LC谐振传感器［10-13］等。

鉴于氧化铝陶瓷具有机械强度高，绝缘电阻大，硬度高，耐磨、耐腐蚀及耐高温等优良性能［14］，本文以通过高温烧结技术而获得的氧化铝陶瓷作为基板，设计并制备了一种集成片上电感及电容的无线无源温度传感器，并通过无线耦合的方式对其进行了温度性能测试。与其他类型的无线无源温度传感器相比，它具有高温性能稳定、线性范围宽、非线性误差小、灵敏度高等优点。

1 温度传感器工作原理

该温度传感器的等效电路模型主要是一个串联式的LC谐振电路，包括电感Ls、电容Cs和电阻Rs(图1-温度传感器)。传感器的谐振频率f0和品质因子Q，可由以下公式得到:

当传感器所处环境的温度发生变化时，主要通过影响两电容极板之间陶瓷的介电常数，使传感器的电容值发生变化，从而改变了传感器的固有谐振频率，而该变化的频率信号可以通过一个带测试天线的外部电路，以无线耦合的方式测试得到，其等效电路如图1所示。

图1 温度传感器与测试天线的等效电路

传感器和天线之间的耦合系数k和互感Lm关系如下:

根据基尔霍夫定律以及变压器理论可知，测试端的输入阻抗Z:

式中f为天线输入端信号的频率。

通过式(1)、式(2)及式(4)，可得到输入阻抗的实部、虚部、幅值和相位的表达式:

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，输入阻抗的实部达到极大值，并且输入阻抗的相位将发生明显的改变。因此，通过拾取输入阻抗的实部或者相位随扫频信号频率变化的这些特殊点，就可以表征传感器工作时谐振频率的大小，从而间接测出外界温度信号值。

2 温度传感器的设计

温度传感器的设计结构如图2所示，该温度传感器以制得三层陶瓷片厚度的氧化铝陶瓷作为基板，并在其上、下表面印刷一层平面螺旋电感和一对平行极板电容，形成无源LC谐振电路。

电感设计为圆形平面螺旋电感(见图2)，可通过以下公式计算电感值［15］:

式中n为电感圈数，ρ为填充比，davg为电感线圈的平均直径，din为电感线圈的内径，dout电感线圈的外径，μ0=4π×10-7，c1、c2、c3和c4为与电感形状相关的系数，在这里依次分别取值1、2.46、0和0.2。

电容设计为圆形极板电容(见图2)，可通过以下公式计算电容值:

式中ε0为真空介电常数，εr为氧化铝陶瓷的相对介电常数，tm为陶瓷基底的厚度，a为圆形极板的半径。

图2 温度传感器结构的截面示意图

温度传感器的相关设计参数如表1所示，代入相关参数值，可以计算出温度传感器的电感Ls=2.02μH，电容Cs=8.95 pF，以及室温下的谐振频率f0=37.4 MHz。

表1 温度传感器的相关设计参数

3 温度传感器的制备

图3 温度传感器制备的主要流程图

选用96%氧化铝生瓷带材料来制备温度传感器，其主要流程图如图3所示。先通过叠片、热压、切片等工艺获得具有三层陶瓷厚度的氧化铝生瓷带(图3-2)，然后通过高温烧结技术获得致密结构并具有一定机械强度的氧化铝陶瓷基板(图3-3)，再利用丝网印刷技术在该基板上印刷银浆料以形成圆形平面螺旋电感及圆形极板电容(图3-4)，经过浆料与基板后烧成型后，最终加工出以氧化铝陶瓷作基板的温度传感器(图3-5)。所制得的温度传感器的实物图如图4所示，总体尺寸为28 mm×28 mm×0.47 mm。

图4 温度传感器的实物图

4 测试及讨论

鉴于铜丝低成本、优良的机械及电学性能等特点，我们选择线材1 mm直径的铜丝(漆包线)，以绕制圆柱螺旋天线用于温度传感器的无线耦合测试。螺旋天线实物图如图5所示，它的外径31.6 mm，圈数5.5，平均螺距5.45 mm，自谐振频率为61.3 MHz，阻抗相频特性曲线的有效带宽范围约为1 MHz～61.3 MHz。

图5 螺旋天线实物图

温度传感器的无线测试平台如图6所示，测试时温度传感器贴于隔热炉门内侧，通过Nabertherm LHT 02/16高温台式炉供热，而测试天线置于隔热炉门外侧凹槽内，并与温度传感器之间具有10 mm厚度的隔热层，即保持10 mm的耦合距离(天线与传感器之间的最大耦合距离约为3 cm)。通过Agilent E4991A阻抗分析仪来测试天线端输入阻抗的幅值、相位和阻抗实部随扫频信号频率的变化，研究传感器输入参数(温度)对输出参数(谐振频率)的影响。鉴于高温炉在起始段加热的不均匀性，为避免其可能带来的测量误差，我们设定加热速率为5℃/min，并依次在室温(18℃)、100℃以及100℃以后每变化25℃的温度下记录相应的阻抗特性数据。

图6 传感器隔热测试平台

测试时可以选择输入阻抗相位曲线(图7(b))的波谷所对应的频率，或者输入阻抗实部曲线(图7(c))的波峰所对应的频率，来近似表征传感器的谐振频率。二者谐振频率的测量值相差并不大，而且前者的测量值仅比后者略大。在这次测试过程中，我们选择前者来表征传感器谐振频率的变化规律。

室温(18℃)下测得传感器的谐振频率为35.975 MHz，测量值比理论设计值偏低，主要受加工误差、耦合距离以及寄生电容因素的影响。

在温度从18℃升至300℃的过程中，输入阻抗的幅值、相位及阻抗实部也发生相应改变，如图7所示。可以看出，随着温度的升高，输入阻抗的幅值、相位及阻抗实部的曲线均向低频率方向偏移，并且峰值均逐渐减小。这主要是因为:该温度传感器以氧化铝陶瓷作为基底，在测试温度范围内，陶瓷的介电常数随着温度的升高而增大，平行极板电容增大，传感器的谐振频率减小，曲线均向低频率方向偏移;温度传感器的等效串联电阻Rs随温度的升高而增大，Rs越大，Q值越小［16］，峰值均逐渐减小。

图7 不同温度下的输入阻抗-频率特性曲线

如图8所示，在18℃～300℃的测试温度范围内，传感器的谐振频率-温度曲线呈现出良好的线性特征。对测量得到的谐振频率-温度数据进行线性拟合，拟合方程为:

且线性拟合度为0.998 6，非线性误差小且最大不超过0.058%。在测试温度范围内，温度传感器的谐振频率对温度的平均变化量为2.754×10-3MHz/℃，即温度传感器的灵敏度约为2.75 kHz/℃，灵敏度较高。

图8 温度传感器谐振频率随温度的变化曲线

5 结论

本文设计并制备了一种基于氧化铝陶瓷的无线无源温度传感器，通过无线耦合的方式测试得到并讨论了该传感器的阻抗频率响应特征，并探讨了其测温的线性范围、非线性误差及灵敏度。随着温度的升高，输入阻抗的幅值、相位及阻抗实部的曲线均向低频率方向偏移，并且峰值均逐渐减小;在18℃～300℃的测试温度范围内，传感器的谐振频率-温度曲线呈现出良好的线性特征，线性拟合度为0.998 6，非线性误差小且最大不超过0.058%，灵敏度约为

2.75 kHz/℃。

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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，研究方向为无线无源高温压力传感器，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。

Wireless Passive Temperature Sensor Based on High Temperature Sintering Alumina Ceramic*

REN Zhong1，2，TAN Qiulin1，2，3，LI Chen1，2，Zheng Tingli1，2，CAI Ting1，2，XIONG Jijun1，2*

(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，China; 3.National Key Laboratory Fundamental Science of Mico/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

A wireless passive temperature sensor based on Alumina ceramic is designed and fabricated，where the alumina ceramic substrate is obtained with the overall size of28 mm×28 mm×0.47 mm through high temperature sintering technology，and passive LC series resonant circuit is printed on the substrate by thick film technology.A wireless test on the sensor is achieved under the temperature from 18℃to 300℃.The results show that the temperature sensor demonstrates good linear characteristics，large linear range and low non-linear error.The sensitivity of the sensor on resonant frequency to temperature is about2.75 kHz/℃.It can be applied to detect high temperature in harsh environments.

wireless passive sensor;temperature;high temperature sintering;alumina ceramic;resonant frequency

TP212.1

A

1004－1699(2014)05－0654－04

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.016

项目来源:高等学校优秀青年学术带头人支持计划;国家自然科学基金重点项目(61335008)

2014-03-27

2014-04-15