LC谐振式压力传感器的高温关键参数研究*

郑庭丽,赵卫军,梁 庭,洪应平,任 重,李赛男,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.北京宇航系统工程研究所,北京 100000)



LC谐振式压力传感器的高温关键参数研究*

郑庭丽1,2,赵卫军3,梁 庭1,2,洪应平1,2,任 重1,2,李赛男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.北京宇航系统工程研究所,北京 100000)

无线无源高温压力传感器在高温、高压等恶劣环境中应用日益广泛,其耐高温性能已成为衡量传感器的一项最基本且重要的指标。利用低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)技术,分别设计和制作了陶瓷基片上电感及电容器件,并进行高温特性测试,通过讨论和分析确定了造成电感和电容随温度变化的原因。测试结果表明:在100 ℃～500 ℃温度范围内,电感L基本保持不变,等效串联电阻R增大了2.7倍,电容C增大了5.3%,从而LC谐振传感器的品质因数Q减小了72.8%。该测试及分析对高温环境下基于LC谐振式压力传感器的优化设计具有重要的指导意义。

高温压力传感器;LTCC;电感;电容

在恶劣环境条件下对压力测试的需求日益增大,尤其在高温环境方面,如涡喷发动机尾喷压力的测试,高速飞行体在大气中飞行时对其自身压力环境的测试[1]。现有的MEMS压力传感器由于高温环境下电引线性能退化以及压力敏感结构被破坏导致传感器无法正常工作,因此,研究设计适用于极端环境下的高可靠性能的传感器显得尤为重要。基于陶瓷材料的LC谐振传感器可以很好的解决上述问题[2-4]。近几年,关于使用低温共烧陶瓷(LTCC)和相关工艺[5-6]来制作的高温压力传感器的研究逐渐成为热点[7-8],能够满足600 ℃左右的高温环境应用。传感器结构稳定性和整体封装是考验传感器在高温条件下性能的关键性问题。为实现高温压力传感器在高温环境下的高稳定性和高可靠性,面临的将技术重点与难点主要体现在传感器自身的高温关键特征参数的研究。

本文提出了一种基于LTCC的LC谐振传感器,并分别设计、制作了传感器的电感和电容结构,通过测试温度对传感器的电感L、R,电容C和品质因数Q的影响来分析传感器的高温性能。为后续提高压力传感器在高温环境下的稳定性以及可靠性奠定了基础。

1 原理

基于LTCC的无源无线压力传感器其实是由矩形平面螺旋电感线圈和电容串联组成的LC谐振电路,其结构图如图1所示。当传感器受到外界压力时,电容两极板间距变化,导致电容大小变化,从而使传感器的谐振频率改变。因此,根据互感耦合的原理来检测传感器的谐振频率变化,就可以获得外界压力的大小。

图1 传感器结构图

传感器的谐振频率为

(1)

LC谐振传感器品质因数Q是用来衡量传感器的重要参数,较高的Q值有利于传感器信号的检测与提取,其Q值为

(2)

通常情况下,需要将无源压力传感器放置于高温环境中,温度变化会对该结构的相关参数产生影响,从而影响整个LC谐振传感器结构的性能。为了更好的研究高温下压力传感器的各项参数,我们分别设计与制作了电感和电容结构。

图2 电感结构剖面图

2 设计与制备

通过LTCC厚膜印刷技术和多层叠片技术[9-13],再经过适当的工艺步骤,可以制备出符合设计要求的基于LTCC技术的电容和电感结构。我们采用Dupont 951陶瓷片作为基底材料,Dupont 6142D银浆料作为丝网印刷材料。

本文的电感采用3层结构,其剖面图如图2所示。首先,将切制好的35 mm的方形3层生瓷片分别进行冲压、打孔,并将各层生瓷片通过丝网印刷工艺印制出相应的图形,再将每层制备好的生瓷片进行烘干、叠片、层压、烧结处理。图3为制备好的完整LTCC平面螺旋电感实物图。本文中为了使耐高温银导线与陶瓷电感能够焊接上,我们采用Ag72Cu28预成型焊料片焊接。

图3 电感结构实物图

对于平面螺旋电感线圈,其电感为

(3)

其中u0为真空磁导率,n为方形螺旋电感圈数,dout和din分别为螺旋电感线圈外直径和内直径。

其电感的等效串联电阻为

(4)

其中ρ为金属电阻率,r为螺旋电感线圈的厚度,w和s分别为线宽和线间距。

图4为电容结构剖面示意图,该结构为4层陶瓷片堆叠而成,内含两层空腔。与电感制备一样,先将25 mm的4层方形生瓷片分别冲压、打孔、丝网印刷以及干燥处理,但在叠片层压前需要在两层空腔内填充上碳膜,在烧结过程中,碳膜在高温空气中氧化成气体通过陶瓷间的疏通气孔排出,避免空腔塌陷,通过烧结工艺的电容结构实物如图5所示。

图4 电容结构剖面图

图5 电容结构实物图

当电容空腔未受到外界压力作用时,其电容为

(5)

其中tg为电容空腔高度,εr为陶瓷介电常数,ε0为真空介电常数,a为方形电容空腔边长。

经计算,电感L=3.71 μH,等效串联电阻R=2.87 Ω,电容C=17 pF。

3 高温测试与讨论

搭建如图6所示的测试系统,该测试系统由Agilent E4991A阻抗分析仪、测试台、高温炉和隔热炉门组成。对基于LTCC基底的电感和电容结构分别进行高温测试,将电感和电容结构分别放置于高温炉内,通过高温银导线与阻抗分析仪端的测试台连接。高温炉内温度设置从100 ℃上升到500 ℃。

图6 测试系统

电感结构的电感值和电阻值随温度变化的结果如图7、图8所示。

图7 电感L随温度变化曲线

图8 电阻R随温度变化曲线

从图中可以看出电感值基本不随温度的变化而发生变化,这主要是由于陶瓷材料的收缩率随温度变化不大导致电感L基本保持不变。但电阻值随温度变化很明显,从常温下的2.87 Ω增加到了500 ℃时的10.36 Ω,变化量为原始值的2.7倍。根据电阻率温度系数的公式,即

(6)

其中,R1和R2分别为两温度对应的电阻值大小,ΔT为温度变化范围。本文中丝网印刷的材料采用的是Dupont 6142D银浆料,其电阻温度系数TCR约为0.003 8(20 ℃)/℃,而LC谐振传感器的电阻初始值为2.87 Ω,当温度升高至500 ℃时,根据式(6)可以计算出500 ℃时的电阻约为8 Ω,而实际测试得到的电阻值为10.36 Ω,相差2.36 Ω。由此分析:一方面从电感线圈本身考虑,银电阻的热膨胀系数查表得知银为19.5×10-6/℃,考虑到线圈的长度是固定的,所以通过计算得出线宽膨胀了0.003 7 mm,对于电阻变化来说可忽略不计。另一方面从外界因素考虑,由于是电感线圈是单独引线,虽然采用耐高温的电阻系数较小的纯银导线,但是有一部分银导线是放置于高温炉内,这难免会引起寄生电阻的增大。因此,可以确定电阻随温度增大最主要原因是由于其电阻温度系数导致的。

图9 电容C随温度变化曲线

图9为电容结构的电容值随温度变化的结果。温度对电容值的影响也很大,当温度从100 ℃升高至500 ℃时,电容值从17 pF增加至18.1 pF。从平行板电容的计算式(5)分析,其中受温度影响的因素为:LTCC材料本身的相对介电常数εr随温度变化,以及由于热膨胀导致电容极板面积a2和电容空腔厚度tg变化。常温下,LTCC材料的相对介电常数εr为7.8,此时的电容值为17 pF,随着温度升高至500 ℃时,其相对介电常数变为8.4左右,此时根据公式计算出电容值为18.3 pF(不考虑升温时材料的热膨胀)。而实验测得的500 ℃电容值为18.1 pF,比计算值减少了0.2 pF,这可能是由于其他因素产生的寄生参数。一方面可能是LTCC材料升温时的热膨胀所导致。本文的电容制作是基于Dupont 951的低温共烧陶瓷,其热膨胀系数为5.8×10-6/℃。由于电容腔厚度约为100 μm,其热膨胀可忽略不计,所以通过计算可得,电容极板的面积膨胀了0.0004 mm2左右,这对于电容值变化来说可忽略不计。另一方面是基于LTCC材料的电容空腔上下极板会由于高温蠕变而产生塑性形变,从而引起电容值的变化。因此,可以确定电容值随温度增大最主要原因是由于其制作材料的相对介电常数的温度系数导致的。

由上述基于LTCC基底的电感及电容串联组成的LC谐振传感器的品质因数Q随温度变化的结果如图10所示,温度由100 ℃上升到500 ℃时,品质因数Q减小了72.8%。品质因数Q是用来描述LC谐振电路的质量或其谐振能力,Q值越高,意味着LC谐振电路储能的效率越高,这对LC谐振传感器的信号检测来说是至关重要的。所以选择电阻率温度系数较小的金属材料来制作电感线圈,介电常数温度系数较小的陶瓷材料来制作电容,以减小温度变化对传感器Q值的影响。

图10 品质因数Q随温度变化曲线

对基于LC谐振原理的传感器来说,其电感线圈的电阻率以及制作基底材料的介电常数都随温度变化而改变,温度对LC谐振传感器的影响不可完全避免,因此针对这类无线无源压力传感器,可以从其结构和算法上进行温度补偿,使传感器在实际工程中有更广泛的应用。

4 结论

本文提出了一种基于LTCC的LC谐振传感器的电感和电容器件设计、制作,并进行高温特性测试,得出在100 ℃～500 ℃温度范围内,电感L随温度基本保持不变,串联电阻R增大了2.7倍,电容C增大了5.3%,导致LC谐振传感器的品质因数Q减小了72.8%。通过讨论和分析得出了造成电感和电容随温度变化的原因。因此,选取电阻率温度系数较小的金属材料制作电感线圈以及介电常数温度系数较小的陶瓷材料制作电容空腔,可以减小温度对电感和电容的影响,从而减小温度对LC谐振传感器Q值的影响,有利于传感器信号的传输。这为基于LC谐振式压力传感器以后在高温环境下的应用奠定了基础。

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郑庭丽(1989-),女,重庆人,硕士研究生,主要研究方向为无线无源高温压力传感器,ztl442@163.com;

熊继军(1971-),男,湖北人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为传感器技术、微纳器件与系统研究,xiongjijun@nuc.edu.cn。

HighTemperatureKeyParametersResearchofLCResonantPressureSensor*

ZHENGTingli1,2,ZHAOWeijun3,LIANGTing1,2,HONGYingping1,2,RENZhong1,2,LISainan1,2,XIONGJijun1,2*

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Beijing aerospace systems engineering research institute,Beijing 100000,China)

The applications of wireless passive pressure sensor in harsh environments,such as high temperature and high pressure,is becoming more and more widely. The high temperature resistant performance has become one of the most basic and important indexes of the sensor. Using low temperature co-fired ceramic(LTCC)technology,the inductor and capacitor based on ceramic substrate has been designed and fabricated respectively,the high temperature properties test is also carried out,and the causes of the inductor and capacitor which are varied with temperature,through the discussion and analysis are determined. With the temperature range from 100 ℃ to 500 ℃,test results show that inductanceLbasically remains the same,the resistanceRincreases by 2.7 times,the capacitanceCincreases by 5.3%,thus the quality factorQdecreases by 72.8%. The test and analysis have an important guiding significance for optimization design of theLCresonant pressure sensor in high temperature environment.

high temperature pressure sensor;LTCC;inductor;capacitor

项目来源:国家973项目(2010CB334703);国家自然科学基金重点项目(61335008)

2014-05-28修改日期:2014-08-16

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.006

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)10-1332-04