一种新型无源电容式温度传感器的制备与测试

武晋波, 杨 卫, 张雪莲

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

在高温、机械旋转和密闭空间等恶劣环境中，无源传感器在长期稳定的环境参数监测方面发挥着十分关键的作用[1]。在众多物理参数中，温度的测量最为普遍，其应用涉及工业自动化、航空航天和公路桥梁结构健康监测等领域[2～4]。面向高温环境下的温度测量，现有的温度传感器大体上可分为热电偶、光纤温度传感器、声表面波温度传感器以及无源LC温度传感器这四大类。无源LC温度传感器由于其无需电池供电和引线连接读取信号，因而可以大大拓展了其应用温度范围和使用寿命。近些年，国内外已有相关科研院所在进行无源LC温度传感器的研究工作。University of Puerto Rico的Wang Y教授的研究小组已在面向滚动轴承关键部位温度监测的无源LC温度传感器上做了大量研究工作[5]，通过采用高介电常数的铁电陶瓷作为敏感电容介质，传感器在235 ℃内具有较好线性度和客观的灵敏度。Andò B等人提出了一种基于MEMS温度敏感电容的无源LC传感器，其能实现500 ℃内的温度测量[6]。国内，电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室彭斌老师的研究小组于2013年提出了一种基于高介电常数陶瓷基板的无源 LC温度传感器[7]，其在140 ℃内获得了-2.3 kHz/℃的灵敏度。目前，越来越多的测试环境要求能实现500 ℃以上温度的非接触无源测量，因此,亟需研究适于更高温度测量用的无源温度传感器。

本文基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺，采用牺牲层填充技术，将高居里点铁电介质陶瓷材料嵌入LTCC内置空腔作为温度敏感介质材料，成功制备出了一种LTCC无源电容式温度传感器，并对其进行了从常温到700 ℃的温度特性测试，测试表明：该结构传感器具有良好的温度敏感特性。

1 传感器原理与结构

1.1 传感器原理

本文涉及的无源电容式温度传感器基于LC谐振原理，由电感线圈和可变电容器串联组成，其中可变电容器的容值随环境温度的变化而变化。传感器可以简化为一个LC环路[8,9]，其谐振频率为

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其中,Ls为传感器的等效电感，Cs为传感器的等效电容。传感器谐振频率的变化可以用一个线圈天线在一定距离内无线读取获得，通过在天线端输入覆盖传感器谐振频率的扫频信号，当天线与传感器靠近时，天线产生的交变磁场通过传感器上的线圈，在传感器上产生感应电动势，一部分能量通过互感耦合到传感器端，当天线端的扫频信号频率与传感器的谐振频率相同时，传感器谐振，同时，传感器谐振会引起天线端阻抗参数的变化，如阻抗实部、虚部、相位和幅值[10]。因此，通过检测天线端阻抗参数的变化，就能实现对被测参数的无线读取。读取系统电路模型如图1所示，其中La为读取线圈电感，Rs为传感器的等效电阻，M为读取线圈与传感器线圈的互感。

图1 耦合系统电路模型

1.2 传感器结构

图2所示该传感器的网版图和结构截面图，传感器采用双层平面螺旋电感串联平行板电容器的结构，通过过孔实现上下层电感线圈的连接，采用双层平面螺旋电感的结构是为了尽可能增强传感器线圈与读取天线之间的耦合强度，有利于高温环境下信号的读取。上下层电感线圈尺寸参数完全相同，但其线圈绕向相反，这是因为上下层线圈绕向相同会导致感应磁场方向相反产生抵消，不利于传感器耦合效果的增强。上下电容极板中间介质为LTCC和铁电陶瓷，随着外界环境温度的升高，LTCC材料和铁电陶瓷的相对介电常数增大，导致平行板电容器的电容值发生增大，最终反映为传感器谐振频率的减小，传感器谐振频率的变化则可通过外部读取天线无线读取。考虑到制备过程中填充了牺牲层，因此，传感器还具有排气通道和排气孔，其作用是保证牺牲层在烧结过程中挥发排气顺畅，可以避免气体膨胀导致传感器结构的破坏。

图2 传感器网版和结构截面图

2 传感器制备

传感器结构由7层DuPont 951 AT LTCC瓷片构成，通过对传统LTCC工艺做了改进，采用牺牲层填充技术，将铁电陶瓷嵌入到LTCC衬底中。如图3中所示，传感器的制备过程大体上可以分为以下6个步骤：

图3 传感器制备的工艺流程

1)打孔:通过将图2中所示的CAD网版图转化为打孔文件导入打孔机，打孔机根据打孔文件自动执行打孔动作，这个过程将在相应生瓷片上打好定位孔、过孔、空腔、排气通道以及排气孔，如图3(a)所示。定位孔的作用是为丝网印刷和叠层过程中提供对准参考标准。

2)微孔填充:在打孔完毕后，采用Dupont 6146D Ag浆料进行微孔填充，微孔填充是为了实现上下层电感的互连。首先将浆料均匀涂抹在微孔填充机载物板上，后将过孔网版置于浆料层之上，之后将生瓷片与网版对准后置于网版上，最后将载物板送入填充机，利用填充剂顶层抽吸的方法来实现过孔的填充，如图3(b)所示。

3)丝网印刷:如图3(c)所示，在微孔填充完成后，进行电感和电容极板图形的印刷，将网版置于丝网印刷机上，待生瓷片与印刷网版对准后在网版上涂抹Dupont 6142D Ag浆料，通过精密丝网印刷使各层生瓷片形成所需要的电路图形。印刷过程中要严格控制刮刀速度和刮刀角度，因为这些因素直接影响到印刷图形的质量，比如:刮刀速度过快，会出现漏印，图像不清晰等情况。

4)叠片:如图3(d)中所示，依据结构设计中各生瓷片的位置关系，将烘干的生瓷片在叠片机中进行对准叠片，在这一步骤中，先进行下面6层生瓷片的叠片，再将铁电陶瓷和牺牲层材料依次填入下面6层生瓷片所形成的空腔中，最后再将最表面一层生瓷片对准叠片。ESL49000碳膜被用来作为牺牲层材料，其具有与LTCC生瓷片十分相近的厚度值，填入牺牲层的作用是保证电容极板在层压过程中坍塌破裂。

5)层压:首先对叠片好的多层基板胚体进行真空包装，这是避免层压过程中基板浸水，然后将包装好的基板胚体置入层压机中，在15 MPa和70 ℃的环境下等静压20 min，等静压提供了均匀的压力载荷，保证了结构在层压后的完整性，层压后的传感器胚体截面如图3(e)所示。

6)烧结:将层压过后的胚体置于烘干炉中，在70 ℃下进行烘干，然后将其置入烧结炉中按图4所示温度曲线进行烧结，烧结过后，多层LTCC胚体成为一个整体。前期结构设计中考虑到了LTCC材料在烧结后会产生尺寸上的收缩，嵌入式空腔尺寸在烧结前略大于铁电陶瓷的尺寸，这样就能保证在烧结收缩后，铁电陶充满空腔，烧结制备出的传感器实物和截面显微照如图5所示。

图4 传感器烧结温度曲线

图5 传感器实物和截面显微照

3 实验测试

图6所示为传感器的高温测试系统示意图，由于钨具有良好的高温稳定性，故选用钨线圈来无线读取传感器信号，将钨线圈和传感器置入马弗炉中，使其保持一定的耦合距离，将钨线圈两端引出接在安捷伦E5061B网络分析仪上，通过提取天线端阻抗相位最小值所对应的频率来进行传感器温度特性的标定。图7所示为传感器在700 ℃内的频率温度敏感特性曲线，从室温到700 ℃的过程中，传感器的谐振频率由18.35 MHz减小到了13.58 MHz，其平均灵敏度为-7.33 kHz/℃。

图6 高温测试系统

图7 传感器的温度特性曲线

4 结 论

面向高温、机械旋转和密闭空间等恶劣环境中的原位温度测量难题，本文研究了一种新型无源电容式温度传感器的制备方法并对制备的传感器进行了实验测试。基于LTCC工艺，结合牺牲层填充技术，以高居里点的铁电陶瓷为温度敏感介质材料，成功制备出了一种基于Dupont 951AT LTCC衬底的新型无源电容式温度传感器。该传感器利用铁电陶瓷在居里温度内具有单调递增的介温特性，将其填充作为电容介质，最终实现了能稳定工作到700 ℃的新型无源温度传感器，其具有-7.33 kHz/℃的平均灵敏度。

参考文献:

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